基于Terfenol材料的大位移微驱动器研究与开发

摘要

稀土铁系超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型的功能材料，具有磁致伸缩应变大、机磁耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优点，已在精密驱动及微位移驱动器等领域显示出良好的应用前景。本论文以这种新型的功能材料为基础，并采用一些新的原理和方法，研制了新型、高性能的大位移微驱动系统。本论文主要研究内容包括： 本论文首先从磁致伸缩现象的产生机理入手，对磁性晶体物理性质之间的关系进行分析和论述，同时，较为系统地对超磁致伸缩材料的伸缩、机磁耦合、动态、压应力、温度等特性进行了分析与阐述，给出与其相应的曲线及表达式。为高效、合理地使用超磁致伸缩材料奠定了理论基础； 在已知超磁致伸缩材料的性能及驱动器的基本结构的基础上，对驱动器的磁路、电磁结构、预压机构、温度控制装置进行了计算设计，并用ANSYS软件对驱动器进行了优化，保证了其性能；对柔性铰链的力学性能进行了分析计算，设计出基于柔性铰链的两级微位移放大机构，计算出其允许的最大输入位移，分析了机构的位移损失，并用ANSYS分析软件对其进行了计算，得出负载与机构输出的关系。 在对大位移微驱动系统进行了结构设计及理论分析后，对其进行了特性测试，包括：驱动器的磁场特性、位移输出、预压力特性、温度特性、磁滞特性；以及对微位移放大机构进行的实验验证； 最后，分析了超磁致伸缩材料的磁滞机理，比较了几种磁滞非线性模型；推导出了超磁致伸缩驱动器 Preisach 模型，进行了实验建模，并对Preisach模型进行了实验验证；对驱动器基于Preisach模型进行了开环控制实验研究。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题提出的背景

1.2微位移驱动器的国内外研究与应用现状

1.3本课题研究的意义及主要内容

1.3.1本论文研究的目的和意义

1.3.2本论文研究的主要内容

第二章超磁致伸缩材料工作机理分析

2.1磁致伸缩现象表述

2.2磁致伸缩工作机理分析

2.2.1场致形变理论

2.2.2磁致伸缩的唯象理论

2.3超磁致伸缩材料的特性

2.3.1磁-机耦合特性

2.3.2压应力特性

2.3.3温度特性

2.3.4动态特性

2.4本章小结

第三章大位移微驱动系统的设计研究

3.1大位移微驱动系统的总体设计

3.1.1大位移微驱动系统总体结构组成

3.2超磁致伸缩微驱动器的设计

3.2.1超磁致伸缩微驱动器机械结构的设计

3.2.2超磁致伸缩材料的选用

3.2.3电磁参数计算与分析

3.2.4设计结果小结归纳

3.3位移放大机构的设计

3.3.1柔性铰链力学模型的建立

3.3.2柔性铰链位移放大机构的结构设计

3.3.3放大机构的力学性能分析

3.4本章小结

第四章大位移微驱动器性能分析

4.1大位移微驱动器输出模型的建立

4.1.1驱动器位移输出模型

4.1.2驱动器输出力模型

4.2超磁致伸缩驱动器的磁场分析

4.2.1ANSYS软件简介

4.2.2超磁致伸缩驱动器磁场二维边值的有限元分析

4.2.3偏置磁场的有限元分析

4.2.4综合磁场的有限元分析

4.3位移放大机构的力学性能分析

4.3.1正圆铰链的有限元验证

4.3.2放大机构的有限元分析

4.4本章小结

第五章大位移微驱动器的性能测试

5.1实验系统与实验目的

5.1.1实验系统的建立

5.1.2实验目的

5.2超磁致伸缩驱动器的实验及数据分析

5.2.1激励电流—输出位移的关系

5.2.2激励电流—磁场强度之间关系

5.2.3预压力—输出位移的关系

5.2.4固定预压力条件下电流—输出位移关系

5.2.5驱动器温度特性实验

5.2.6驱动器磁滞特性实验

5.3位移放大机构的制造及实验验证

5.4本章小结

第六章微驱动器非线性模型的建立与控制

6.1概述

6.2 Preisach模型的建立

6.2.1磁滞的数学建模理论

6.2.2 Preisach模型的表述

6.2.3 Preisach权重函数的确定

6.2.4 Preisach模型的离散化

6.3基于Preisach模型的驱动器位移控制

6.3.1驱动器Preisach模型实验数据的获取

6.3.2基于Preisach模型的驱动器位移控制基本思路

6.3.3驱动器控制系统的构建

6.3.4基于Preisach模型的驱动器开环位移控制实例

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2工作展望

参考文献

致 谢

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