国内外超磁致伸缩材料及作动器的研究

超磁致伸缩作动器具有推力强、反应快和分辨率高等特点,在精密定位、精密驱动、机器人、微型阀等领域展现了广阔的应用前景本文在介绍超磁致伸缩材料及其应用的基础上,分析了国内外超磁致伸缩作动器的研究动态、应用状况等,并对几类超磁致伸缩作动器的原理、结构进行了阐述,最后提出了超磁致伸缩作动器的四个研究方向。     

超磁化条件下超磁致伸缩作动器迟滞现象研究

论述了超磁致伸缩材料的主要物理特性,通过对其迟滞现象的实验观测,指出迟滞现象对超磁致伸缩作动器的精确控制造成的影响.提出了超磁化的方法对迟滞现象进行改善,并通过实验进行了验证,最后从理论上对其有效性做了分析论述.研究表明：采用超磁化后,作动器的力-磁耦合关系更明确,对作动器的控制效果更好.     

超磁致伸缩微位移致动器碟簧特征分析与设计

在传统的超磁致伸缩微位移致动器碟簧设计中，以预压力大小作为唯一设计指标．首先定性分析了微位移致动器的结构形式、传力机理；然后定量分析了超磁致伸缩致动器的输出特征，指出引入软性碟簧的可行性和必要性，使超磁致伸缩材料在阶跃段可获得更大的位移输出．针对不同预压应力及相关条件设计碟簧参数，通过试验证明了采用软性碟簧可以有效降低阶跃段系统等效刚度，从而改善换能系统输出．     

微振动控制中超磁致伸缩作动器的设计与分析

针对微振动控制中对作动器的要求,基于超磁致伸缩材料的特性对作动器进行了优化设计,通过对其进行磁路分析、热效应分析,验证了设计的合理性;针对超磁致伸缩材料的非线性性能,利用实验测量的主迟滞回线和一阶折返曲线数据点建立Preisach模型,采用输入校正迭代算法对非线性进行补偿,然后对作动器进行精密定位控制实验.实验结果表明...     

超磁致伸缩微位移致动器的理论分析与设计

科学技术的快速发展使得机电设备越来越趋于微型化,为了在体积不足1cm^3的空间里达到精确测量,超磁致伸缩材料成为当下研究的热点。本文以J-A模型和磁-机效应法为依据,建立超磁致伸缩的磁机耦合模型,设计了以圆弧形超磁致伸缩薄片为核心部件的微型位移致动器。利用COMSOL Multiphysics仿真软件分析了当给予线圈电流密度为10^6A/m^2的驱动电流时,不同厚度的超磁致伸缩薄片模型,得到相应的应力张量图和磁致伸缩曲线。文中展示0.35mm厚度的铁镓合金辅以1mm厚度硅基底的致动器模型,并获得了较为理想的0.8μm输出位移量。将仿真与实验结果进行对比,证明了理论模型的准确性以及执行器结构的可行性。该微位移执行器具有体积小、响应快、精度高、便于集成等优点,在振动控制、微定位、机器人等领域有着广阔的应用前景。     

高精度快速刀具伺服系统中的超磁致伸缩致动器结构设计与控制研究

本文介绍了超磁致伸缩致动器的结构设计与位移精密控制方法,给出了致动器的结构原理图,并对位移的PID控制及模糊PID控制两种控制方法进行了仿真研究。仿真结果表明,模糊PID控制具有较好的控制精度。     

超磁致伸缩微致动器车削系统的动力学分析

考虑温度及预应力的影响,建立了应用于车削加工系统的超磁致伸缩微致动器动力学模型,并讨论了温度及预应力对其振动响应的影响.预应力对磁滞及理想磁化模型的超磁致伸缩微致动器模型输出位移的影响变化趋势相同,都出现翻转现象,在激励磁场小幅值范围内,系统的输出位移随着预应力的增加而减小,随着激励幅值的增加而增加;当激励磁场幅值较小时,温度对输出位移的影响较小,但是当激励磁场幅值较大时,输出位移随着温度的升高而明显减小.该结果对如何处理预应力、温度、超磁致伸缩材料的滞回的影响提供了理论依据.     

考虑温变时超磁致伸缩微致动器的动力学分析

建立了考虑温度变化时的超磁致伸缩微致动器的动态振动微分方程,得到了微致动器振动响应的非共振解析解.在已知磁化强度情况下,讨论了温度和预应力对振动响应的影响,并得到了位移响应随温度变化的系数;解出由于超磁致伸缩材料非线性而产生的亚谐共振解,讨论了温度对共振因子的影响.仿真结果表明,超磁致伸缩材料的磁-力-热耦合非线性对微...     

基于实验的超磁致伸缩微致动器动力学特性分析

基于超磁致伸缩微致动器实验所得的激励电流-磁致伸缩材料轴向位置-磁场强度三者之间的关系式,修正了厚壁线圈轴向电流-磁场理论公式.利用修正公式对超磁致伸缩微致动器动力学模型进行理论分析,得到了微致动器的振动响应;分析了修正系数、偏置磁场及预压应力对微致动器的影响.结果表明:修正系数对微致动器动力学特性影响十分明显,当修正系数K′=1.24时,基于实验拟合函数与基于厚壁线圈电流-磁场理论公式所得到的微致动器的输出位移与输入激励电流之间的滞回环完全吻合;微致动器振动响应具有明显的非线性特性,而且修正系数对其影响很大.偏置磁场与预压应力对微致动器的幅频特性影响也十分明显.     

超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数检测仪的研发

基于虚拟仪器软件平台LabVIEW，开发了磁致伸缩系数检测仪。论文介绍了检测仪的构成及在软件设计中的几个主要问题。     

超磁致伸缩微位移执行器控制系统研究

以单片机和上位PC微机为控制核心,设计并构建了利用超磁致伸缩棒开发的超磁致伸缩执行器的计算机闭环控制系统,完成了相应的软硬件设计．结合所开发的超磁致伸缩微位移执行器的结构建立了传递函数模型,针对微位移执行器控制系统进行了数字PID控制器设计,通过实验得出,在不降低其相对稳定性情况下数字控制系统的精度提高,为进一步提高超磁致伸缩执行器的精度、改善整个系统的动态特性奠定了基础．     

超磁致伸缩驱动器的输出力动态响应特性

设计了一种新型超磁致伸缩驱动器,通过ANSYS有限元分析软件对超磁致伸缩驱动器的内部磁场进行了仿真。并搭建了输出力动态响应特性测试系统,通过改变外加电流与预紧力大小对驱动器的动态响应时间进行研究。实验结果表明,该驱动器的磁场设计合理;当电流小于2.5 A且预压力一定时,其输出力响应时间随电流的增大而减小;设计的驱动器在预压力达到300 N时输出力响应时间最短。     

超磁致伸缩执行器驱动磁场理论分析与实验研究

在分析超磁致伸缩材料的驱动原理和超磁致伸缩执行器结构的基础上,重点对执行器内部的驱动磁场进行了理论分析和实验研究,得出了超磁致伸缩执行器驱动电流与超磁致伸缩棒的驱动磁场之间存在一定的非线性和滞回的结论。并分析了其产生原因,为进一步提高超磁致伸缩搪行器的性能奠定了基础。     

超磁致伸缩驱动微泵的磁场优化分析与实验验证

为使超磁致伸缩驱动微泵中超磁致伸缩材料(GMM)棒获得最佳的磁致伸缩性能,在ANSYS Maxwell软件中建立双线圈式驱动磁场、外线圈内永磁体式驱动磁场、内线圈外永磁体式驱动磁场模型,进行仿真分析,得到三种情况下微泵轴线上平均磁场强度和磁场均匀度,并通过试验验证优选结构的磁场强度和均匀度。结果表明:外线圈长度L_(q1)=104 mm,厚度d_(q1)=12.5 mm;内线圈长度L_(q2)=104 mm,厚度d_(q2)=12.5 mm的双线圈式驱动磁场相对于外线圈内永磁体式和内线圈外永磁体式平均磁场强度提高了117%和8.6%,磁场均匀度下降4%。试验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真模型的正确性。     

基于超磁致伸缩材料的谐波驱动器结构与磁场优化设计

基于超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)正逆耦合效应以及能量转换特性,提出一种集驱动、传动及传感于一体的新型自感知谐波驱动器构想.利用ANSYS分析谐波减速器运行过程中波发生器应力分布情况,结合波发生器尺寸结构求解GMM棒的尺寸参数.基于毕奥萨伐尔定律推导驱动线圈内部磁场求解方法并设计驱动磁场和偏置磁场布置方式.利用COMSOL Multiphysics建立驱动器电磁机三场耦合模型,分析在不同条件下驱动线圈内部磁场分布情况以及驱动器的位移输出特性.结果表明:在永磁体总长度不变情况下,对永磁体实行内置均匀布置,随着永磁体片数逐渐增加,磁场均匀度从44％降低到26％,输出最大位移从0.123 mm下降到0.114 mm,GMM棒应力分布均匀度显著提高.     

超磁机器鱼游动数值模拟及其控制

针对管道中微小型机器人的研究和开发,提出一种利用外磁场驱动起小型机器鱼的研究方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,建立了该问题的力学模型.通过研究机器鱼的游动机理,设计了一种机器鱼的超磁动力驱动器(GMMA).利用调整外界磁场频率,实现神经模拟以控制鱼尾摆动,即机器鱼的游动.结果表明,鱼尾摆动平均驱动力的大小取决于鱼尾的材料参数、几何参数和外磁场频率.特别是当外磁场频率接近系统固有频率时,该驱动力相对较大,该结论可作为鱼尾设计和控制的主要思路和依据.     

永磁机构真空断路器控制电路的设计

ABB等诸多大公司研制的永磁机构真空断路器，大多采用双稳态双线圈结构。针对双稳态双线圈结构存在的弊端，提出了双稳态单线圈结构，使结构更为简单、可靠性更高。自行设计的控制电路解决了单线圈永磁机构的分、合闸控制问题。通过计算机仿真和物理实验的对比，验证了设计的正确性。     

超磁致伸缩薄膜悬臂梁静力学分析

静力学特性是超磁致伸缩薄膜(giant magnetostrictive thin film,GMF)的重要特性,对其进行准确的分析是应用GMF的基础.结合材料力学的相关理论,求解了不同尺寸、不同基底材料GMF双层悬臂梁的中性轴和等效惯性矩;将双层GMF悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,建立了静态磁致伸缩过程中薄膜悬臂梁的挠曲线方程.采用悬臂梁式GMF进行变形特性的实验研究,证实了挠曲线方程的正确性,同时表明磁致伸缩过程中薄膜的磁学量与力学量呈一定的线性关系,为动态磁致伸缩效应的进一步分析研究奠定了理论基础.     

Research on Giant Magnetostrictive Actuator for Turning Vibration Control

Magnetostriction is a phenomenon in which a magneti c field is used to produce a change in size of some materials. This property has b een known in elements such as nickel, iron and cobalt. Because the rare-ear th alloy Terfenol-D can offer much larger strains than nickel, iron, cobalt, an d other smart materials such as piezoelectric materials, it is called giant magn etostrictive material. Making use of the giant magnetostrictive material, the gi ant magnetostrictive actuator has higher bandwidth and r...