發(fā)布時(shí)間：2018-12-10 09:33

【摘要】：超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material-簡(jiǎn)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(dòng)器（GiantMagnetostrictive Actuator-簡(jiǎn)稱GMA）相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型致動(dòng)器，具有高精度、高速度、高可靠等特點(diǎn)。在精密運(yùn)動(dòng)控制、主動(dòng)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(dòng)器為研究對(duì)象，對(duì)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(dòng)器的高均勻驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方法和動(dòng)態(tài)損耗理論進(jìn)行了研究。研制了不同結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器原理樣機(jī)，搭建了綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研制了超磁致伸縮流量控制閥門（GiantMagnetostrictive Valve-簡(jiǎn)稱GMV）并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。研究成果對(duì)超磁致伸縮材料致動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)用價(jià)值。 以磁致伸縮材料的線性壓磁方程為出發(fā)點(diǎn)，基于自由能極小原理和磁疇偏轉(zhuǎn)理論，推導(dǎo)了簡(jiǎn)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(dá)出材料的電磁參數(shù)與輸入激勵(lì)之間的耦合規(guī)律，，并定性地進(jìn)行了試驗(yàn)分析驗(yàn)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(dá)了材料工作過程中宏觀位移輸出與外電路激勵(lì)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(dòng)器磁路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用等效磁路法對(duì)不同磁路結(jié)構(gòu)螺線管線圈的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了研究分析，得到了螺線管幾何尺寸和磁路結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)均勻性和驅(qū)動(dòng)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(dòng)線圈與磁致伸縮材料棒軸向長度一致時(shí)，材料棒的軸向磁場(chǎng)分布均勻性最好。導(dǎo)磁塊的接觸面直徑對(duì)材料棒端部徑向磁場(chǎng)分布規(guī)律影響最大。采用分段電流驅(qū)動(dòng)的方式可以有效的改善材料棒軸向磁場(chǎng)均勻性，但是實(shí)現(xiàn)起來較困難。結(jié)合超磁致伸縮材料致動(dòng)器的等效電路模型，推導(dǎo)了致動(dòng)器電感參數(shù)的解析表達(dá)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(jìn)一步建立完善了GMA高均勻性驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)和穩(wěn)定電磁參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 針對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)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(jì)算方法。對(duì)超磁致伸縮材料動(dòng)態(tài)勵(lì)磁條件下的磁場(chǎng)建立過程和損耗進(jìn)行了分析計(jì)算，明確了超磁致伸縮致動(dòng)器動(dòng)態(tài)勵(lì)磁下的各種損耗分配規(guī)律并進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。在此基礎(chǔ)上，研究總結(jié)了超磁致伸縮致動(dòng)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(dòng)器的驅(qū)動(dòng)頻率將影響材料中的磁能損耗，導(dǎo)致超磁致伸縮致動(dòng)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(dòng)器。設(shè)計(jì)了專用驅(qū)動(dòng)電流源，構(gòu)建了GMA綜合測(cè)試平臺(tái)。針對(duì)GMA靜態(tài)、動(dòng)態(tài)位移輸出特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試分析。結(jié)果表明GMA的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于驅(qū)動(dòng)電流源的響應(yīng)時(shí)間，由于動(dòng)態(tài)磁滯和渦流效應(yīng)的影響，隨著驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jī)構(gòu)的GMV較傳統(tǒng)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間提高了近15倍；內(nèi)部冷卻型GMV單次開關(guān)的流量?jī)H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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TB381;TH13

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2370358