基于超磁致伸缩材料的微位移致动器设计与研究

摘要

稀土超磁致伸缩材料(GMM)是近年来发展起来的一种新型机敏材料,具有应变大、强力、能量密度高、响应速度快等优异特性,其开发与应用得到世界各国学者的关注,产量及市场销量增长非常迅速.基于其正磁致伸缩效应制作的超磁致伸缩致动器(GMA)具有广阔的应用前景,是一类很有潜力的新型微位移致动器.超磁致伸缩材料作为一种功能材料具有很多优异性能,但也存在几个对应用极为不利的固有特性,主要包括磁滞特性、非线性动力学特性和对工作条件的变化非常敏感等,在设计和使用应用系统过程中必须加以充分考虑.本文根据超磁致伸缩材料的工作特性及其在工程应用中的要求,以国产稀土超磁致伸缩材料为基础,以超磁致伸缩致动器为研究对象,在超磁致伸缩材料的工作特性、性能参数测定、微位移致动器的设计与实现、静动态特性实验研究等方面进行了较为深入而系统的研究.全文分为六章,各章主要内容分述如下:第一章概要说明磁致伸缩现象及其机理;综述超磁致伸缩材料的主要特性、发展历史与研究现状;介绍国内外应用研究概况及存在的问题,在此基础上陈述了本课题的选题意义并给出研究内容和结构安排.第二章分析稀土超磁致伸缩材料的工作特性,介绍其在弱磁场激励下的磁机电耦合特性以及相关特性参数的测量方法.测得了国产超磁致伸缩材料的一系列机械和物理特性参数,为采用这些材料开发应用器件提供了重要的数据.第三章讨论稀土超磁致伸缩致动器的静态与动态模型分析方法:介绍了超磁致伸缩致动器的静态位移和力输出模型;建立了动态集总参数机电耦合模型,并在传统模型中引入磁通反馈,消除将线圈电感作为常数所带来的模型失真;详细介绍了稀土超磁致伸缩致动器基于能量的非线性滞回特性建模理论与算法.第四章在已知稀土超磁致伸缩材料的工作特性,并分析超磁致伸缩致动器的基本结构与工作原理的基础上归纳出设计超磁致伸缩致动器的几个关键问题;提出超磁致伸缩致动器的一般设计与计算方法;给出超磁致伸缩致动器的设计过程与实现结果.将强制水冷与相变温控结合运用,构成了磁致伸缩棒组合温控装置.第五章介绍超磁致伸缩致动器的驱动、控制和静动态特性实验的系统原理、实验设备、实验方案、实验结果及其分析.其中静态特性实验包括静态位移输出和静态力输出特性实验,动态特性包括动态位移输出特性、动态动力输出特性和动态响应性特性实验以及温控实验.第六章对全文工作进行总结,展望今后开展工作的方向和途径.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1超磁致伸缩材料概述

1.1.1磁致伸缩现象及其机理

1.1.2超磁致伸缩材料

1.1.3稀土超磁致伸缩材料的制备和加工工艺

1.1.4超磁致伸缩材料的发展简史

1.1.5我国稀土超磁致伸缩材料的研究概况

1.1.6超磁致伸缩材料在机电工程中的应用现状

1.2选题意义及研究内容

1.2.1选题意义

1.2.2课题研究内容

1.3本章小结

第二章超磁致伸缩材料的工作特性及其测量

2.1超磁致伸缩材料的工作特性

2.1.1超磁致伸缩材料的晶体结构和磁致伸缩理论解释

2.1.2超磁致伸缩材料的工作特性

2.2稀土超磁致伸缩材料部分性能参数的测量方法

2.2.1磁致伸缩系数λ的测定

2.2.2轴向机电耦合系数可k33的测定

2.2.3其它参数的测定

2.3本章小结

第三章超磁致伸缩致动器模型分析

3.1超磁致伸缩致动器静态模型

3.1.1静态位移特性模型

3.1.2静态力特性模型

3.1.3其他静态特性模型

3.2超磁致伸缩致动器动态模型

3.2.1集总参数建模过程

3.2.2有限元建模

3.2.3其他动态建模方法

3.3非线性磁滞特性建模

3.4本章小结

第四章超磁致伸缩致动器设计与实现

4.1超磁致伸缩致动器的基本结构与工作原理

4.2超磁致伸缩致动器设计中的几个基本要求

4.2.1超磁致伸缩致动器机械结构设计要求

4.2.2超磁致伸缩致动器电磁结构设计要求

4.3超磁致伸缩致动器的设计

4.3.1应用背景、设计要求与总体结构

4.3.2超磁致伸缩棒的设计与选型

4.3.3超磁致伸缩致动器电磁结构设计

4.3.4超磁致伸缩棒温升与热变形控制装置设计

4.3.5致动器能量转换效率计算

4.3.6磁致伸缩致动器设计结果

4.4本章小结

第五章超磁致伸缩致动器的驱动、特性实验及控制

5.1超磁致伸缩致动器的驱动

5.2超磁致伸缩致动器特性实验研究

5.2.1试验系统原理与架构

5.2.2静态特性试验结果及其分析

5.2.3动态特性试验结果与分析

5.2.4磁致伸缩棒温控试验结果

5.2.5特性实验小节

5.3超磁致伸缩微进给机构及其控制

5.3.1微量进给机构

5.3.2磁致伸缩微进给机构控制

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

硕士期间发表和录用的论文