超磁致伸缩微致动器结构优化与静态特性试验

采用超磁致伸缩材料作为微致动器的主要材料,详细阐述了超磁致伸缩微致动器的结构及性能。通过建立超磁致伸缩微致动器的2D轴对称模型,利用有限元方法对微致动器的电磁结构进行优化。试验结果表明超磁致伸缩致动器在合适的偏置磁场及预压力作用下,能达到较佳的输出电流-位移及电流-输出力响应特性。     

喷油器用超磁致伸缩致动器设计方法和驱动波形研究

将超磁致伸缩材料的输出特点和喷油器的驱动需求相结合,设计并驱动适用于电控喷油器的超磁致伸缩致动器。针对常闭式电控喷油器仅需要单向和缩短位移的特点,结合超磁致伸缩材料在不同偏置磁场强度输出特性,提出了2种不同偏置磁场的致动器结构并分析了各自适用的电流输入方向;借助实验系统测试了2种致动器的稳态位移和响应时间,并分析了二者输出性能。针对传统直流方波驱动时致动器响应过慢的问题,借鉴电磁铁大电压快速开启的方法,设计了喷油器用超磁致伸缩致动器的驱动波形,并测试了该设计波形对强偏置致动器的驱动性能。研究结果表明,采用所设计的驱动电压,可将超磁致伸缩致动器的响应时间由4 ms降至1 ms,极大地提升了致动器的瞬态响应速度,同时,超磁致伸缩致动器可输出12~33μm的连续稳态位移,提供了更多的驱动效果。     

超磁致伸缩作动器的混沌非线

激励电流与输出位移之间的非线性影响超磁致伸缩作动器的性能,混沌现象是超磁致伸缩作动器非线性的重要方面.为研究超磁致伸缩作动器的混沌行为,建立了其非线性动态力学模型,用数值方法得到了反映系统非线性响应特性的分岔图、最大Lyapunov指数图、相图、Poincaré截面图、幅值谱等.分析结果表明,在低频条件下,激励电流过大或系统刚度过低都会导致混沌现象的出现.     

柔性铰链放大的叠堆式超磁致伸缩致动器建模与实验

为满足新型电液伺服阀的驱动要求,设计了柔性铰链放大的叠堆式超磁致伸缩致动器(FASGMA),建立了FASGMA输出位移模型,并进行了实验验证和分析。首先,根据传统GMA偏磁施加方式的特点和不足,采用永磁体和GMM棒交替排布的结构形式,设计了叠堆式超磁致伸缩致动器(SGMA),并利用柔性铰链机构放大其输出位移;然后,根据SGMA的结构特点,建立了反映轴向分布不均匀性的SGMA应变模型;接着,利用力学基本原理和有限元法对柔性铰链机构的放大比和固有频率进行了分析,提出了结构优化设计的方法,完成了放大机构结构参数的确定;在此基础上,考虑SGMA与放大机构的相互作用以及SGMA轴向应变分布规律,建立了FASGMA多自由度位移模型,确定了自由度的合理取值;最后,搭建了FASGMA测试系统,进行了阶跃和正弦激励实验,完成了模型验证。结果表明:实验与模型计算结果吻合,证明了模型准确性;在阶跃激励下,FASGMA最大位移约为130μm,响应时间约为70 ms;正弦激励下,FASGMA工作频带为60 Hz,对激励信号有较好的跟随特性。     

基于稀土超磁致伸缩材料的微致动器设计

选择Terfenol-D作为微致动器主要材料，采用弹簧对GMM棒施加一定的预压力以获得较大的磁致伸缩应变，采用偏置磁场消除GMM棒的倍频现象并使之工作在线性段，对磁路进行了分析和优化设计。针对电磁线圈工作发热及涡流损耗引起的GMM棒温升，采取了强制水冷方法并专门设计了一个恒温冷却系统用以消除材料的热变形对致动精度的影响。     

超磁致伸缩致动器式脉冲喷射开关阀性能研究

鉴于超磁致伸缩致动器(GMA)的脉冲喷射开关阀性能受致动器结构参数的影响,建立了基于GMA的脉冲喷射开关阀流量与驱动电流之间的物理模型,并采用Matlab进行系统仿真.对比分析了开关阀中不同驱动线圈匝数、涡流时间常数、等效质量对开关阀频响伯德图和时域阶跃响应的影响,从而得到不同参数引起的开关阀工作带宽、响应时间等性能的变化规律,试验表明致动器结构引起的涡流时间常数是影响开关阀工作性能的主要因素,通过减小线圈匝数、缩短涡流时间常数可扩大致动器的频响范围,缩短响应时间.     

超磁致伸缩致动器式脉冲喷射开关阀性能研究

鉴于超磁致伸缩致动器(GMA)的脉冲喷射开关阀性能受致动器结构参数的影响,建立了基于GMA的脉冲喷射开关阀流量与驱动电流之间的物理模型,并采用Matlab进行系统仿真。对比分析了开关阀中不同驱动线圈匝数、涡流时间常数、等效质量对开关阀频响伯德图和时域阶跃响应的影响,从而得到不同参数引起的开关阀工作带宽、响应时间等性能的变化规律,试验表明致动器结构引起的涡流时间常数是影响开关阀工作性能的主要因素,通过减小线圈匝数、缩短涡流时间常数可扩大致动器的频响范围,缩短响应时间。     

阀用超磁致伸缩致动器弓张结构静、动态建模与优化

为满足大流量超磁致伸缩电液伺服阀的驱动需要,设计了一种结构紧凑的弓张放大式超磁致伸缩致动器;基于力学基本原理和振动理论知识建立了弓张结构的静、动态模型;分析了弓张结构尺寸参数对其静、动态性能的影响;结合弓张放大式超磁致伸缩致动器应用于电液伺服阀的要求,利用多目标优化法确定了其结构尺寸最佳参数值,并利用有限元法对其静、动态模型进行了验证;设计了弓张放大式超磁致伸缩致动器样机,搭建了实验系统,并进行了静、动态实验。实验结果表明,弓张结构的放大倍数在8.13~8.72间波动,输出端最大位移可达107.9μm,固有频率约为168 Hz,测试所得结果与其静、动态模型计算值基本吻合;通过与优化前的性能相比,弓张结构的静态放大倍数在满足要求的条件下,其动态固有频率提高了55.6%;所设计的弓张放大式超磁致伸缩致动器基本上能够满足伺服阀的驱动要求,证明了该优化设计方法的有效性。     

超磁致伸缩材料与自传感执行器

分别综述了超磁致伸缩材料和自传感执行器的发展、特性以及应用状况,剖析了自传感执行器的物理基础和关键技术,并分析探讨了一种新颖的基于Joule效应和Villari效应的自传感超磁致伸缩执行器。     

基于叠加柔性铰链的超磁致伸缩驱动器建模与实验

为了满足高精度、大行程的需求,设计了一种基于尺蠖运动方式的超磁致伸缩直线驱动器,通过前、后箝位机构和驱动机构的相互配合,实现了驱动器的步进式位移输出。采用叠加式柔性铰链作为弹性元件,有效地改善了柔性铰链的受力情况,采用有限元法进行了强度校核和模态分析。计算了叠加式柔性铰链的等效刚度,建立了直线驱动器的动力学模型,对设计的样机进行了实验测试。实验结果表明,建立的位移模型和实验结果基本一致,最大相对误差为1.86%;设计的驱动器稳定工作电压为1～3V,最小和最大单步位移分别为4.55、12.01μm,最高工作频率为150Hz,最快速度为1.34mm/s;位移输出状态稳定,单步位移最大相对误差为2.69%。     

尺蠖型超磁致伸缩旋转驱动器驱动信号设计与试验

为了解决传统的“信号发生器+功率放大器”产生的信号无法满足尺蠖型旋转驱动器多路、正方波波形需求的问题,设计了一种通过Cmos控制脉冲模块“通-断”时机的信号控制器,从而得到特定时序的3路正方波信号。通过这种方案得到的3路驱动信号为正方波电流信号,从而避免了超磁致伸缩材料的“倍频”现象的发生。通过设置信号周期、占空比和延迟等参数,能够输出设定时序的三路正方波驱动信号。根据电压定律,将正方波简化成阶跃波形,建立了驱动信号的电流模型,并进行了参数辨识。在工作频率范围内,电流解析式能准确地表示电流信号。搭建试验平台进行了试验测试,试验结果表明,在工作频率范围内,信号控制器输出的正方波波形优于“信号发生器+功率放大器”产生的方波信号,设定的3路信号能够驱动尺蠖型旋转驱动器产生步进旋转运动。通过优化驱动信号时序,将旋转驱动器最大工作频率由160Hz提至210Hz。     

柱棒式超磁致伸缩振动能量收集装置建模与实验

针对目前超磁致伸缩式振动能量收集在理论研究上的不足,根据超磁致伸缩材料的材料特性,设计了一种柱棒式超磁致伸缩能量收集装置(GMEHD),并对其工作原理进行了阐述。结合GMEHD的结构特点,建立了装置的输入输出模型,推导了输出电压计算公式,对系统在正弦激励下的响应进行了求解;根据线圈结构,通过电路分析,对线圈匝数进行了优化。利用仿真软件COMSOL Multiphysics,建立了GMEHD有限元模型,得到其仿真结果。在上述基础上制作了GMEHD样机,搭建了实验测试系统,得到了不同频率正弦力作用下GMEHD输出电动势曲线,并与模型计算值和仿真结果进行了对比。结果表明:在1、10、50 Hz单位正弦激励下,GMEHD输出电动势幅值分别为2、15、75 m V,相位超前于输入力π/2。实验与模型计算和仿真分析结果基本吻合,验证了模型的准确性,为GMEHD优化设计提供了参考依据。     

超磁致伸缩伺服阀用电—机转换器传热及热误差分析

提出了一种超磁致伸缩伺服阀用超磁致伸缩电-机转换器的结构并阐述了其工作原理,此电-机转换器采用了油液冷却和反向补偿法来抑制因热产生的位移输出。为分析温升对超磁致伸缩电-机转换器控制精度的影响,基于导热和对流传热理论建立了其传热模型,给出了稳态时超磁致伸缩棒上的温度和热补偿装置上的温度,分析了冷却油液流速对稳态温度的影响,并采用温度场数值模拟的方法对仿真结果进行了验证。分析结果表明,当控制电流为额定值1 A时,若超磁致伸缩棒和控制线圈间油液速度大于0.1 m/s,热补偿装置和超磁致伸缩棒的温度在20.3℃附近且温差在0.2℃以下。由超磁致伸缩棒和热补偿装置上的温度,进一步推导出了超磁致伸缩电-机转换器因热而产生的误差位移。通过仿真分析得出,在超磁致伸缩棒和控制线圈间油液速度等于0.1 m/s时,棒和外壳温度接近且温升不大,热误差位移不大于0.1μm。     

超磁致伸缩驱动器的输出特性研究

介绍了超磁致伸缩驱动器结构及其内部磁路的设计方法，对采用国产材料研制的驱动器的位移及力的输出特性进行了测试。实验结果表明，该驱动器具有理想的动态和静态输出精度和输出范围，可以用于精密设备的低频主动隔振平台中。     

磁致伸缩位移传感器反射波电压特性与阻尼参数优化

为了提高磁致伸缩位移传感器的稳定性和测量准确性,降低反射波信号对输出电压有效信号的影响,对反射波电压产生原因及影响因素进行了研究。从阻尼与波导丝之间的弹性压力及其产生的摩擦力对应力波传播影响的角度,构建了阻尼作用下磁致伸缩位移传感器反射波电压模型,计算了磁致伸缩位移传感器的反射波电压幅值,利用搭建的实验平台,通过实验获得不同阻尼参数作用下的反射波电压幅值变化。结果表明,计算结果与实验结果的变化趋势基本一致,阻尼对反射波电压幅值有很大影响。基于反射波电压模型,确定了阻尼长度和邵氏硬度最佳取值范围分别为5~10mm、50~75,在直径为10mm、长度为10mm和邵氏硬度为50的最优阻尼作用下,反射波电压幅值从75mV降低至4mV,此时反射波电压幅值远小于有效信号,从而大大降低了对输出电压有效信号造成的影响。本研究可为磁致伸缩位移传感器阻尼选择提供理论依据。