基于超磁致伸缩高精度高频微小泵的研究

摘要

稀土超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM）是一种能高效地实现电（磁）-机械能转换的新型材料，具有高转换效率，快速响应，大输出力等特点。现如今利用新兴功能材料开发研制的微型器件也层出不穷，在液压传动与控制领域的快速发展中，超磁致伸缩材料也担当了重要的角色，利用其研制的超磁致伸缩微小泵也将具有广阔的应用前景。
　　本文以GMM材料的优点及其应用现状为基础，进行了基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微小泵的应用研究。针对GMM材料热变形抑制以及微小泵油液泄漏等问题，探讨了其转换器的温度补偿装置和微小泵泵腔密封性等结构的设计方法，并设计出新型复合温控装置以及柔性铰链薄膜输出装置。为了减小微小泵泄漏，论文提出了柔性铰链薄膜输出的新思路，并对大柔度高精度柔性铰链薄膜进行了具体设计，设计出一种复合型柔性铰链薄膜;同时为了匹配GMM棒的驱动频率，对柔性铰链薄膜进行模态分析得出其一阶振型固有频率在388Hz左右。论文对微小泵的发热机理进行了理论分析，并利用有限元分析软件对无温控和复合温控下驱动器的温度分布进行了仿真分析。仿真结果表明，在2h间歇性工作环境下，复合型温控方法是很有效的，能保证GMM棒的温度保持在44.5℃左右，而若不采取温控措施的情况下，温度会上升至75℃左右，有效地控制了GMM棒的温度，使其同比下降了39％。论文以线性压磁方程为基础，建立了微小泵静动态特性模型，利用AMESim软件对系统进行仿真分析，分别探讨了驱动频率和驱动电流，对转换器的输出位移、输出力大小、微小泵泵压和输出流量的影响，仿真结果表明，在1.5A，300Hz的工况下，超磁致伸缩驱动器的阶跃上升时间为0.292ms，稳态输出位移为95.15μm，输出力达1427N，输出流量为1.86L/min，从而证实了超磁致伸缩转换器具有响应速度快、输出位移大以及输出力大等特性。
　　综上所述，与传统的微小泵相比，在柔性铰链密封腔和复合温控下的微小泵具有更高的精度，可用于超精密加工、航空航天和生物医学等领域。为今后超磁致伸缩器件的开发奠定了理论基础，对于其设计和应用也具有重要意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 液压泵的发展

1．1．1 微小泵的研究现状

1．1．2 微泵发展趋势

1．2 超磁致伸缩材料概述

1．2．1 超磁致伸缩材料的发展

1．2．2 超磁致伸缩材料的特点

1．2．3 超磁致伸缩器件的应用研究现状

1．3 本课题研究意义及研究难点

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究难点

1．4 论文框架及研究内容

1．4．1 论文框架

1．4．2 论文研究内容

2 超磁致伸缩微小泵的结构设计

2．1 微小泵的基本结构及工作原理

2．2 微小泵结构设计

2．2．1 设计原则

2．2．2 GMM棒的选型

2．2．3 线圈设计

2．2．4 复合温度补偿装置的设计

2．2．5 输出泵腔密封性设计

2．2．6 其他结构设计

2．2．7 整体结构设计

2．3 本章小结

3 柔性铰链薄膜设计

3．1 薄膜输出的优势

3．1．1 柔性铰链的分类

3．1．2 由柔性铰链到柔性铰链薄膜

3．2 柔性铰链薄膜的静力学分析

3．2．1 常见柔性铰链性能比较分析

3．2．2 复合型柔性铰链薄膜静力学分析

3．3 柔性铰链薄膜的模态分析

3．3．1 模态分析原理

3．3．2 模态分析

3．4 本章小结

4 复合温控装置设计及其热分析

4．1 微小泵的热源

4．2 工作温度对GMM磁致伸缩系数的影响

4．3 几种温度补偿方法

4．3．1 常见温度补偿方法

4．3．2 相变双套复合补偿方法的提出

4．4 复合温控装置结构设计

4．4．1 相变材料的选择

4．4．2 相变温控

4．4．3 装置结构尺寸设计

4．5 有限元热分析

4．5．1 GMA有限元建模

4．5．2 边界条件及热载荷的施加

4．5．3 热分析结果

4．6 本章小结

5 微小泵输出特性研究

5．1 GMM转换器的静态模型

5．2 GMM微小泵的动态模型

5．3 微小泵的建模与仿真

5．3．1 微小泵的建模

5．3．2 微小泵的仿真结果与分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果