【摘要】：超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡稱GMM），是一種新型的功能材料，磁致伸縮應變大、響應速度快、能量密度高等是該類材料的顯著特點，因其優(yōu)異的性能、良好的應用前景，而得到世界各國學者的關注。本文設計了一種適于射流伺服閥驅動的新型超磁致伸縮執(zhí)行器（Giant MagnetostrictiveActuator，簡稱GMA），并且開展了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器結構設計、磁路特性有限元數(shù)值分析與優(yōu)化、溫度被動補償與主動散熱結構、溫度場有限元數(shù)值分析與數(shù)學建模以及實驗測試等方面進行了研究。 在GMA的磁路結構設計方面，通過永磁體和線圈結合式與雙線圈驅動方式的對比，確定了適合GMA的雙線圈磁場驅動方式；根據(jù)磁路設計的基本理論，確定了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的驅動線圈和偏置線圈的設計方案；通過COMSOL MULTIPHYSICS有限元仿真軟件，對射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的磁場進行了數(shù)值計算，得出了GMM棒上的磁感應強度呈“馬鞍型”分布：相同驅動電流時，偏置電流越大，產(chǎn)生的磁感應強度越大，這為射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器設計時偏置電流的選擇提供了理論依據(jù)；GMM棒直徑越小，長度越長，產(chǎn)生的磁感應強度越均勻；選擇磁導率較大的導磁體能夠提高磁感應強度的大��；改變調(diào)節(jié)螺釘?shù)慕佑|形式，磁感應強度的均勻性隨之變化等等。通過不同結構、不同參數(shù)的有限元數(shù)值計算，確定了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的磁路優(yōu)化方案。 在GMA散熱結構與熱位移被動補償設計方面，確定了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的主動散熱與機械補償結構的溫控方式，設計了完整的溫控系統(tǒng)。在進行射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的主動散熱的分析中，采用了有限元數(shù)值模擬的計算方法，分析了水冷與油冷的冷卻效果：流動水的冷卻效果要優(yōu)于流動油的冷卻效果，這是熱對流現(xiàn)象；靜態(tài)水的冷卻效果劣于靜態(tài)油的冷卻效果，這是導熱現(xiàn)象。在進行射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的被動機械結構補償?shù)姆治鲋校ㄟ^實驗的方法，獲得其熱位移影響在10μm以上；通過對主動散熱與機械補償結構的溫控方式的實驗研究，得到射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的輸出位移在連續(xù)工作十個小時的工況下，其熱位移輸出可以控制在3μm以內(nèi)，達到了溫控要求。 最后，在綜合分析了電磁優(yōu)化與溫控補償優(yōu)化方案之后，加工制造了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器樣機，搭建了實驗測試系統(tǒng)，對其位移或力靜、動態(tài)輸出特性進行了實驗研究。實驗測得設計的超磁致伸縮執(zhí)行器頻響在600Hz以上，階躍響應時間在1ms左右，為射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器的理論研究提供了實驗依據(jù)。
[Abstract]:Giant magnetostrictive material (Giant Magnetostrictive Material,) is a new functional material. The magnetostrictive strain is large, the response speed is fast, and the energy density is high. And get the attention of scholars all over the world. In this paper, a new giant magnetostrictive actuator (Giant MagnetostrictiveActuator,) suitable for jet servo valve driving is designed, and the structure design, finite element numerical analysis and optimization of magnetic circuit characteristic are carried out for the giant magnetostrictive actuator for jet servo valve. The passive temperature compensation and active heat dissipation structure, the finite element numerical analysis and mathematical modeling of temperature field, and the experimental test are studied. In the aspect of magnetic circuit structure design of GMA, through the comparison between permanent magnet and coils combined mode and double coil drive mode, the two-coil magnetic field drive mode suitable for GMA is determined, and according to the basic theory of magnetic circuit design, according to the basic theory of magnetic circuit design, The design scheme of driving coil and bias coil of giant magnetostrictive actuator for jet servo valve is determined, and the magnetic field of giant magnetostrictive actuator used in jet servo valve is numerically calculated by COMSOL MULTIPHYSICS finite element simulation software. It is concluded that the magnetic induction intensity on the GMM rod is "saddle": the larger the bias current is, the greater the magnetic induction intensity is when the driving current is the same. This provides a theoretical basis for the selection of bias current in the design of Giant Magnetostrictive Actuator for jet servo valve. The smaller the diameter and the longer the length of the GMM rod, the more uniform the magnetic induction intensity is. Choosing the magnetic conductors with high permeability can increase the intensity of magnetic induction, change the contact form of the adjusting screw, and change the uniformity of the intensity of magnetic induction and so on. Through the finite element numerical calculation of different structures and different parameters, the magnetic circuit optimization scheme of giant magnetostrictive actuator for jet servo valve is determined. In the aspect of GMA heat dissipation structure and thermal displacement passive compensation design, the active heat dissipation and mechanical compensation structure of the giant magnetostrictive actuator for jet servo valve are determined, and a complete temperature control system is designed. In the analysis of active heat dissipation of giant magnetostrictive actuator for jet servo valve, the finite element numerical simulation method is used to analyze the cooling effect of water cooling and oil cooling: the cooling effect of flowing water is better than that of flowing oil. The cooling effect of static water is worse than that of static oil, which is a heat conduction phenomenon. In the analysis of the passive mechanical structure compensation of giant magnetostrictive actuator for jet servo valve, the influence of thermal displacement on the passive mechanical structure is more than 10 渭 m through the experimental method, and the experimental study on the temperature control mode of the active heat dissipation and mechanical compensation structure is carried out. The output displacement of Giant Magnetostrictive Actuator for jet servo valve can be controlled within 3 渭 m under the condition of ten hours of continuous operation, which meets the requirement of temperature control. Finally, after the comprehensive analysis of electromagnetic optimization and temperature control compensation optimization scheme, the prototype of giant magnetostrictive actuator for jet servo valve is manufactured, and an experimental testing system is built. The dynamic output characteristics are studied experimentally. The experimental results show that the frequency response of the designed giant magnetostrictive actuator is above 600Hz and the step response time is about 1ms, which provides an experimental basis for the theoretical study of the giant magnetostrictive actuator for jet servo valve.
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH134

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