基于轴向非均匀磁场的GMA输出特性研究

摘要

超磁致伸缩材料是一种新型功能材料,目前,它已经被视为21世纪提高国家高新科技和综合国力的战略性材料。我国拥有丰富的稀土资源储备,据资料显示,我国的稀土资源占世界总量的56％,而且矿物品种齐全,然而,由于各方面因素的限制,国家在稀土基础理论研究及稀土功能材料的开发应用方面与美国、日本等国有着较大的差距。
　　 研究基于超磁致伸缩材料的微致动器是对我国稀土材料应用于工业的一种应用基础研究。采用超磁致伸缩材料(GMM)制作的稀土超磁致伸缩微驱动器(GMA)具有大应变、高精度、强力以及响应速度快、可靠性高等优点,使其迅速成为了微驱动领域的研究热点。目前,GMA已在精密流体传输与控制、精密加工、精密蠕动机构、声纳、振动抑制等领域应用。GMA的研究对我国稀土产业的发展有着积极的促进作用,在国内外,也成为了目前稀土运用的研究热点。
　　 尽管当前GMA的研究取得了较大的进步,但是,其研究尚存在不足,尤其是GMA位移输出具有较强的非线性,由磁滞引起的非线性误差可达20%,甚至更高。GMA的非线性特性严重制约了GMA的运用及工业化普及。
　　 论文从GMA的非线性特性出发,为使GMA的非线性特性得到抑制,研制基于轴向非均匀磁场的线性GMA,并对其关键技术问题进行理论及试验研究。
　　 论文以微致动的一些相关技术为背景,讲述了微致动技术发展历程以及当前GMA的研究现状。同时,对目前国内外关于GMA非线性特性的相关研究进行了论述,对超磁致伸缩材料的基本特性、材料的磁致伸缩原理以及它的某些物理效应及对物理效应相关的运用进行了综述。
　　 在掌握GMM相关工作特性的基础上,完成线性GMA的设计,主要包含GMM棒的选型、轴向非均匀线圈的设计、磁路的设计、预压机构的设计、温控系统的设计等。结合Commsol有限元分析软件,建立线性GMA的二维轴对称模型,分析GMA系统中的磁场分布以及壳体、输出轴、后端盖、线圈对驱动磁场分布的影响,优化线性GMA的机械结构。
　　 针对线性GMA,通过主动抑制的方法,改变电磁线圈形状,利用Commsol有限元分析软件的静磁场模块,分析不同线圈形状时GMA的磁场分布情况,结合GMM固有特性曲线,分析GMM棒轴向磁场分布对GMA输出特性的影响。设计GMA控制系统,使GMA输入电流控制精度达到实验要求,同时采取不同形状的线圈,对线性GMA开展实验测试,研究其输出特性。
　　 在有限元分析方法计算出GMA输出位移的基础上,采用BP神经网络预测方法,对未知GMA驱动线圈形状对应的GMA输出特性进行预测,初步探索了GMA驱动线圈形状与GMA输出位移之间的映射关系,完成了线性GMA的相关设计。