超磁致伸缩谐波电机设计方法与特性研究

摘要

谐波齿轮传动以其速比大、承载能力强、传动精度高等特点而被广泛应用，但仍需由电机经波发生器输入运动和动力，空间利用率低、惯性大、高速响应差。超磁致伸缩材料是一种具有磁致伸缩效应的新型功能材料，其应变大、响应快、频带宽、输出力大，可有效实现电（磁）能与机械能之间的相互转换。因此本文提出一种由超磁致伸缩材料驱动的有源谐波电机，并阐述了其主要组成和工作原理。 致动器作为谐波电机动力源及换能装置，对其磁场强度、均匀性、漏磁及空间限制等均有严格要求，根据磁路结构分析提出圆片全封闭的分段内置式永磁结构，充分利用空间并改善均匀性；在此基础上建立了超磁致伸缩材料棒、预紧结构、等效磁路、偏置永磁及驱动线圈等主要部分的数学模型，提出了超磁致伸缩谐波电机致动器布局、尺寸等参数初步设计理论和方法。通过研究偏置磁场与驱动磁场强度及均匀性影响因素，实现了致动器主要结构参数的优化，建立了致动器预紧结构和磁路结构的有限元模型并分别对其力学特性和磁场特性仿真分析。 结合麦克斯韦理论、铁磁磁滞理论以及碟簧形变特性分别建立了超磁致伸缩材料棒涡流损耗、动态磁致伸缩特性以及致动器非线性动力学特性的动态数学模型；研究了涡流对GMM棒内实际磁场、磁化强度、滞回特性的影响以及偏置磁场下超磁致伸缩材料棒动态磁致伸缩变化规律；计算分析了致动器非线性动力学模型的稳定性及其固有频率和阻尼比，并得到致动器谐响应下的幅频、相频特性。研究了在考虑涡流、磁滞效应以及非线性特性共同作用下，不同电流幅值和频率的致动器动态输出响应。 根据超磁致伸缩谐波电机要求，给出了一种液压微位移放大器结构原型。建立了弹性元件（柔性膜片和波纹管）的刚度模型，初步设计了其主要尺寸；利用有限元法分析了膜片不同结构和尺寸的圆角对刚度、挠度及寿命影响从而进行优化；对弹性元件进行动、静态仿真，得出其力学及模态特性，分析其设计合理性；建立放大器整体放大模型，得出放大倍数影响因素及影响规律，研究了气溶量及含气量对油液的影响并计算一定真空度下理论放大倍数。 建立了致动器和放大器三维结构模型并研制了样机，对其输出特性进行了动、静态实验，与理论分析进行对比，其结果表明，致动器工作在线性范围内，其输出规律和放大器放大位移符合啮合要求，放大倍数满足设计要求，验证了设计方法的合理性和实用性以及理论分析的准确性，为超磁致伸缩谐波电机走向实际应用奠定了基础。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 谐波传动的发展与现状

1.2.1 谐波传动国内外发展

1.2.2 谐波传动研究现状

1.3 超磁致伸缩材料应用现状

1.4 课题来源及研究内容

2 超磁致伸缩谐波电机原理及其致动器设计方法

2.1 超磁致伸缩谐波电机结构与原理

2.1.1 超磁致伸缩谐波电机总体结构

2.1.2 超磁致伸缩谐波电机工作原理

2.2 致动器理论设计

2.2.1 GMM棒外形结构设计

2.2.2 预紧结构设计

2.2.3 磁路结构设计

2.2.4 偏置磁场设计

2.2.5 驱动磁场设计

2.3 致动器的磁场均匀性研究

2.3.1 偏置磁场结构影响分析

2.3.2 驱动磁场结构影响分析

2.4 致动器磁场结构参数确定

2.5 致动器的仿真分析

2.5.1 预紧结构仿真分析

2.5.2 磁场仿真分析

3 超磁致伸缩谐波电机致动器动态特性研究

3.1 致动器动态模型建立

3.1.1 磁场涡流损耗模型

3.1.2 动态磁致伸缩模型

3.1.3 非线性动力学模型

3.1.4 致动器总体动态控制

3.2 致动器模型计算与分析

3.2.1 涡流损耗计算分析

3.2.2 动态磁滞特性计算分析

3.2.3 动力学模型计算分析

3.3 致动器总体控制模型仿真分析

4 液压微位移放大器设计理论与方法

4.1 液压微位移放大器总体结构

4.2 柔性膜片设计分析

4.2.1 柔性膜片理论设计

4.2.2 柔性膜片有限元法设计

4.2.3 柔性膜片静力学仿真分析

4.2.4 柔性膜片动力学仿真分析

4.3 波纹管设计分析

4.3.1 波纹管理论设计

4.3.2 波纹管静力学仿真分析

4.3.3 波纹管动力学仿真分析

4.4 放大器位移放大特性研究

5 谐波电机致动器与放大器输出特性实验研究

5.1 致动器与放大器模型

5.2 实验原理与设备

5.2.1 实验原理

5.2.2 实验设备

5.3 实验结果及分析

5.3.1 致动器实验结果分析

5.3.2 位移放大器实验结果分析

结 论

参 考 文 献

附录A 致动器动态特性的Matlab程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢