形状记忆合金温控的磁流变液自发电传动研究

摘要

大中型山地农机在作业过程中内燃机会产生大量的热量，因农机工作环境的恶劣，发动机在不同的路况和工况下作业时，其产生的热量变化会很大。这一复杂工况会导致发动机的工作温度高低起伏变化，这会降低发动机的寿命甚至会对发动机造成损坏。于此，本题目利用形状记忆合金兼具感温与驱动的特性，将其制成形状记忆合金温控开关并感知温度的变化；并利用磁流变液在磁场作用下产生屈服应力，将其作为传动介质来传递动力；在传动过程中，应用永磁发电机的发电技术，通过发动机提供动力而自发电为整个农机供电。该自发电传动系统可根据环境温度的变化而实现智能启停和自适应调速，并能够自发电作为电源为整个农机供电。　　基于形状记忆合金的感温与驱动特性，结合电路欧姆定律和机械设计方法设计了一种自身电阻可根据环境温度变化而自适应调节的形状记忆合金温控电流开关。这种温控开关在不同的温度条件下，自适应改变温控电阻，进而间接的改变了通过温控开关的电流。基于电路欧姆定律，建立了温控开关的行程与温控开关电阻的关系式和设计该温控开关电阻丝的关系式。根据普通螺旋弹簧的设计公式，分析了形状记忆合金弹簧，并介绍了设计形状记忆合金弹簧的设计公式。根据设计案例中给出的数据，对形状记忆合金温控开关进行了理论计算，结果表明：形状记忆合金弹簧输出行程随着温度的升高而呈非线性增加；温控开关电阻值随着温度的升高呈非线性递减。基于形状记忆合金的感温驱动理论，设计了一个测试形状记忆合金弹簧驱动特性的实验，实验结果表明：形状记忆合金弹簧的输出行程随着温度的升高而增大，理论值与实验值趋势一致。　　基于磁流变液的Bingham模型，分析了磁流变液在两圆盘中的剪切流动，并建立了自发电传动系统输出转矩公式和输出转速关系式。基于最大转矩原则和磁路设计原理，对圆盘式磁流变液离合器进行了设计，并对磁流变液离合器的关键尺寸和关键参数进行了理论计算。利用ANSYS软件对磁路进行仿真分析，通过理论值与仿真值的数据分析，可以认为设计理论在误差范围内是正确的。根据磁饱和分析，提出了一种磁饱和评估率，并用该磁饱和评估率评估磁流变离合器的磁饱和情况，结果表明：磁流变离合器在满足工作的条件下，未达到磁饱和，即尺寸和电流的设计合理，经济性颇优。利用实验室现有实验条件，完成了一个磁流变液传动性能实验，实验结果表明：理论值与实验值趋势一致，磁流变液传动性能可靠，满足自发电传动系统的设计要求。　　介绍了永磁发电机的工作原理和永磁发电机中各个参数，分析了永磁发电机的设计理论。根据设计公式，设计了永磁发电机。

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1 绪 论

1.1 选题来源与意义

1.2 磁流变液

1.3 形状记忆合金

1.4 本文研究的主要内容

2 磁流变液与形状记忆合金力学性能

2.1 磁流变液屈服应力微观模型

2.2 磁流变液本构模型

2.3 形状记忆效应机理

2.4 形状记忆合金本构模型

3 形状记忆合金温控的磁流变液自发电传动理论分析

3.1 工作原理及特点

3.2 磁流变传动特性分析

3.3 形状记忆合金温控理论分析

3.4 永磁发电机理论分析

4 形状记忆合金温控的磁流变液自发电传动设计

4.1 磁流变传动设计准则

4.2 励磁线圈的设计

4.3 磁路理论设计

4.4 永磁发电机的设计

4.5 案例设计计算

5 自发电传动装置磁路仿真分析及实验

5.1 磁场仿真分析

5.2 仿真结果分析

5.3 磁饱和分析

5.4 磁流变液传动性能实验

5.5 形状记忆合金驱动特性实验

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录