發(fā)布時間：2018-12-10 09:33

【摘要】：超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material-簡稱GMM）是一種具有雙向可逆能量轉(zhuǎn)換特性的智能材料。基于超磁致伸縮材料的致動器（GiantMagnetostrictive Actuator-簡稱GMA）相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型致動器，具有高精度、高速度、高可靠等特點。在精密運動控制、主動減振、精密流體控制等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以基于超磁致伸縮材料的致動器為研究對象，對超磁致伸縮材料基本電磁參數(shù)耦合規(guī)律、等效電路模型以及超磁致伸縮致動器的高均勻驅(qū)動磁場設(shè)計方法和動態(tài)損耗理論進行了研究。研制了不同結(jié)構(gòu)的致動器原理樣機，搭建了綜合實驗平臺。研制了超磁致伸縮流量控制閥門（GiantMagnetostrictive Valve-簡稱GMV）并進行了試驗測試。研究成果對超磁致伸縮材料致動器的設(shè)計和應(yīng)用具有普遍指導(dǎo)意義，研制的超磁致伸縮閥門微流量控制領(lǐng)域具有現(xiàn)實應(yīng)用價值。 以磁致伸縮材料的線性壓磁方程為出發(fā)點，基于自由能極小原理和磁疇偏轉(zhuǎn)理論，推導(dǎo)了簡化的超磁致伸縮材料應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系數(shù)學(xué)方程，直觀表達出材料的電磁參數(shù)與輸入激勵之間的耦合規(guī)律，，并定性地進行了試驗分析驗證。建立了超磁致伸縮材料的集總參數(shù)等效電路模型閉合磁回路下GMA等效電路模型，直觀的表達了材料工作過程中宏觀位移輸出與外電路激勵參數(shù)之間的耦合規(guī)律。 在分析總結(jié)超磁致伸縮材料致動器磁路結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，利用等效磁路法對不同磁路結(jié)構(gòu)螺線管線圈的驅(qū)動磁場變化規(guī)律進行了研究分析，得到了螺線管幾何尺寸和磁路結(jié)構(gòu)對驅(qū)動磁場均勻性和驅(qū)動效率的影響制約關(guān)系。研究結(jié)果表明：閉合磁路結(jié)構(gòu)下，驅(qū)動線圈與磁致伸縮材料棒軸向長度一致時，材料棒的軸向磁場分布均勻性最好。導(dǎo)磁塊的接觸面直徑對材料棒端部徑向磁場分布規(guī)律影響最大。采用分段電流驅(qū)動的方式可以有效的改善材料棒軸向磁場均勻性，但是實現(xiàn)起來較困難。結(jié)合超磁致伸縮材料致動器的等效電路模型，推導(dǎo)了致動器電感參數(shù)的解析表達式�？紤]磁致伸縮材料工作過程中磁導(dǎo)率變化特性，利用有限元方法分析了GMA電感參數(shù)的變化規(guī)律。進一步建立完善了GMA高均勻性驅(qū)動磁場和穩(wěn)定電磁參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計準則。 針對超磁致伸縮致動器中的基礎(chǔ)熱問題展開研究�；诖女犉D(zhuǎn)理論建立完善了超磁致伸縮材料磁化曲線的數(shù)值計算方法。對超磁致伸縮材料動態(tài)勵磁條件下的磁場建立過程和損耗進行了分析計算，明確了超磁致伸縮致動器動態(tài)勵磁下的各種損耗分配規(guī)律并進行仿真計算和分析。在此基礎(chǔ)上，研究總結(jié)了超磁致伸縮致動器中的熱傳遞、熱平衡以及溫升特性規(guī)律。研究結(jié)果表明：超磁致伸縮致動器的驅(qū)動頻率將影響材料中的磁能損耗，導(dǎo)致超磁致伸縮致動器內(nèi)部溫度分布規(guī)律發(fā)生改變。低頻下，磁致伸縮材料棒的端部溫度高于中間位置；而高頻下，材料棒中間位置的溫度高于端部溫度。 最后，研制了基于超磁致伸縮材料的致動器。設(shè)計了專用驅(qū)動電流源，構(gòu)建了GMA綜合測試平臺。針對GMA靜態(tài)、動態(tài)位移輸出特性進行了試驗測試分析。結(jié)果表明GMA的動態(tài)響應(yīng)取決于驅(qū)動電流源的響應(yīng)時間，由于動態(tài)磁滯和渦流效應(yīng)的影響，隨著驅(qū)動電流頻率的增加，GMA輸出位移略有降低。研制了兩種采用不同形狀GMM棒的超磁致伸縮閥門。測試結(jié)果表明在穩(wěn)態(tài)流量相同的情況下，具有位移放大機構(gòu)的GMV較傳統(tǒng)電磁閥的響應(yīng)時間提高了近15倍；內(nèi)部冷卻型GMV單次開關(guān)的流量僅為0.0099g/s，結(jié)合PWM控制技術(shù)，非常適合在高壓、高速、高精度的流量控制系統(tǒng)中應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TB381;TH13

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 梁久來,何玉賢;溫控儲熱相變材料及在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用[J];長春中醫(yī)學(xué)院學(xué)報;1996年04期

2 王福吉;劉巍;賈振元;劉慧芳;趙顯嵩;;超磁致伸縮薄膜懸臂梁靜力學(xué)分析[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;2011年03期

3 賈振元,楊興,郭東明,侯璐景;超磁致伸縮材料微位移執(zhí)行器的設(shè)計理論及方法[J];機械工程學(xué)報;2001年11期

4 溫邦彥,孫麗麗;中國電磁閥技術(shù)的新發(fā)展[J];通用機械;2004年10期

5 孟愛華;項占琴;呂福在;;微型超磁致伸縮高速閥致動器的優(yōu)化設(shè)計[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2006年02期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 竇青青;SmNdFe負超磁致伸縮材料研究[D];浙江大學(xué);2012年

本文編號：2370358