伺服阀用GMM电-机转换器的理论基础研究

摘要

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM）是20世纪70年代以后才出现的一种新型功能材料，具有应变大、响应速度快、能量传输密度高、输出力大等优异性能。以其优异的性能和良好的应用前景而得到世界各国研究者的广泛关注，其相应理论和应用器件正在被世界各地的研究者开发出来。由此材料驱动的电-机转换器，可提高伺服阀的精度和频响，从而成为伺服阀用电-机转换器研究热点之一。 本文根据超磁致伸缩材料的性能特点，以国产超磁致伸缩材料为基础，对伺服阀用超磁致伸缩电-机转换器进行基础理论研究。文章首先较系统的介绍了超磁致伸缩材料的工作特性、国内外研究状况及电，机转换器的作用、原理，提出了本论文的选题意义和主要研究内容。然后主要对伺服阀用超磁致伸缩电-机转换器的机械结构、磁路结构及磁场进行分析和研究。主要包括驱动棒的选型、预压力装置的设计、线圈的几何参数设计及优化、磁路损耗分析、转换器输出模型的设计与仿真、驱动磁场的均匀性分析、GMA电磁场的有限元仿真与分析等等。 在结构设计中，充分考虑到了闭合磁路的原则，从而大大减少漏磁，提高GMM棒的工作磁场强度。本文利用线圈的功率优化的方法对线圈结构进行了优化设计，使线圈能在限定的尺寸下获得更高的电磁转换效率；导出了静态位移输出特性和力输出特性的解析式，给出了其适用条件，建立了GMM转换器的动态数学模型，利用MATLAB对其动态特性进行了仿真研究。对仿真结果进行了较深入的分析，得出了影响伺服阀用GMM转换器动态特性的结构和性能参数；对驱动磁场的均匀性进行了分析，并利用ANSYS有限元分析软件对GMM转换器的轴对称磁场进行仿真分析，得出了不同输入电流时磁场磁力线分布和磁感应强度沿轴线变化的规律。 研究表明，这种伺服阀用GMM电-机转换器的结构形式具有简单、可靠、便于控制的特点。同时具有较大的输出位移和输出力、良好的线性度、较快的响应速度。采用预压力施加机构、可调动态偏置磁场和添加导磁环等措施，提高了伺服阀用GMM电-机转换器整体性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 磁致伸缩现象及超磁致伸缩材料的优越性能

1.1.1 磁致伸缩现象的工作机理

1.1.2 超磁致伸缩材料的优越性能

1.2 超磁致伸缩材料的工作特性

1.2.1“跳跃”特性

1.2.2 △E效应

1.2.3 温度特性

1.2.4 倍频效应

1.2.5 磁-机耦合特性

1.3 磁致伸缩的物理效应

1.4 液压伺服阀的简介

1.4.1 电液伺服阀的组成及类型

1.4.2 液压伺服阀存在的问题及发展趋势

1.5 GMM电-机械转换器

1.5.1 电-机械转换器作用、分类及原理

1.5.2 GMM电-机械转换器的研究现状

1.6 课题研究意义及研究内容

1.6.1 课题研究意义

1.6.2 课题研究难点

1.6.3 课题研究内容

2 GMA的磁路设计及计算

2.1 GMM的驱动形式

2.2 磁路构成与原理

2.3 磁路设计与分析

2.3.1 磁路基本方程

2.3.2 转换器的磁路计算

2.4 驱动和偏置线圈的设计

2.4.1 轴对称线圈内的磁场强度的计算

2.4.2 线圈的功率优化

2.4.3 线圈的参数设计计算

2.5 磁路损耗分析

2.5.1 涡流损耗

2.5.2 磁滞损耗

2.6 气隙分析

2.7 本章小结

3 GMA的结构设计与理论分析

3.1 GMA设计应考虑的几个问题

3.2 GMA的结构原理图及工作原理

3.3 驱动棒的设计选型

3.4 转换器主要结构的设计及参数确定

3.4.1 驱动频率

3.4.2 线圈骨架的设计

3.4.3 预压力装置

3.4.4 其他主要结构的选择与设计

3.5 GMM转换器的输出模型

3.5.1 静态模型

3.5.2 动态模型

3.6 GMM转换器的动态特性仿真

3.6.1 仿真模型的建立

3.6.2 仿真结果及分析

3.7 本章小结

4 GMA 电磁场的研究与有限元分析

4.1 驱动磁场均匀性分析

4.1.1 驱动磁场的轴向均匀性

4.1.2 驱动磁场的径向均匀性

4.2 电磁场计算理论

4.2.1 有限差分法和有限元法

4.2.2 有限元法的理论基础

4.3 GMA有限元结果与分析

4.3.1 ANSYS软件简介

4.3.2 有限元分析结果及分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果/攻读硕士学位期间发表的论文