本文關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器

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【摘要】：超磁致伸縮微納米執(zhí)行器(GMA)利用超磁致伸縮材料的磁致效應(yīng),通過改變驅(qū)動(dòng)磁場,實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮材料微伸縮,達(dá)到微納米高精度定位目的。超磁致伸縮微納米執(zhí)行器已經(jīng)被廣泛研究與開發(fā),其應(yīng)用包括機(jī)械加工、航天、汽車等領(lǐng)域。傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器通過改變線圈電流實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮材料微位移輸出可調(diào)。在維持一定的微位移輸出時(shí),電流需要一直保持。此時(shí),執(zhí)行器無機(jī)械功率輸出,輸入功率以熱的形式消耗在線圈電阻上,執(zhí)行器效率幾乎為零。此外,在低頻(10 Hz)輸出情況下,傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器的效率也比較低。為了解決傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器在維持恒定微位移和低頻工作條件下的低效問題,本論文設(shè)計(jì)了一種新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器(Motor-Driven Giant Magnetostrictive Actuator, MDGMA)。該新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器摒棄傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器線圈電流驅(qū)動(dòng)方式,而是采用旋轉(zhuǎn)永磁體驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器利用線圈電流改變超磁致伸縮材料內(nèi)部磁通,實(shí)現(xiàn)微位移輸出可調(diào)。而MDGMA利用旋轉(zhuǎn)永磁體方式改變超磁致伸縮材料內(nèi)部磁通,實(shí)現(xiàn)微位移輸出可調(diào)。在維持恒定輸出微位移時(shí),MDGMA只要維持永磁體空間位置即可實(shí)現(xiàn)恒微位移輸出。此時(shí),電機(jī)不吸收功率,執(zhí)行器效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器。通過理論、模擬和實(shí)驗(yàn)證明,MDGMA能實(shí)現(xiàn)低頻微位移輸出可調(diào)和維持恒定位移輸出時(shí)的高效。論文分別從理論、模擬和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證MDGMA這一概念的正確性。首先,利用磁路方法建立了數(shù)學(xué)模型,給出了輸出微位移與驅(qū)動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的關(guān)系表達(dá)式；其次,利用三維有限元計(jì)算方法驗(yàn)證了MDGMA這一概念,分析了不同勵(lì)磁磁場、不同永磁體形狀和不同旋轉(zhuǎn)角度下的磁場分布；最后,在超磁致伸縮材料鐵鎵合金特性曲線測試及機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,加工制作了樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論分析結(jié)果高度吻合,切實(shí)驗(yàn)證了MDGMA這一概念的正確性。本論文所設(shè)計(jì)的MDGMA具有連續(xù)輸出位移可調(diào)、發(fā)熱量小和高效等優(yōu)點(diǎn),在高效制動(dòng)裝置、高精度定位平臺、高精度機(jī)械加工執(zhí)行器和中凸變橢圓活塞加工執(zhí)行器中具有重要應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：超磁致伸縮執(zhí)行器 電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器 鐵鎵合金 三維有限元
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒言16-46
• 1.1 超磁致伸縮材料概述16-17
• 1.2 鐵鎵合金超磁致伸縮材料特性17-24
• 1.2.1 超磁致伸縮特性(執(zhí)行器特性)17-20
• 1.2.2 磁電效應(yīng)20-21
• 1.2.3 逆磁電效應(yīng)21-23
• 1.2.4 傳感特性23
• 1.2.5 鐵鎵合金的加工23
• 1.2.6 鐵鎵合金溫度特性23-24
• 1.2.7 彈性模量24
• 1.2.8 磁機(jī)耦合24
• 1.3 鐵鎵合金Galfenol主要應(yīng)用24-36
• 1.4 傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器36-38
• 1.5 傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器主要存在的問題38-44
• 1.6 論文框架44-46
• 第2章 工作原理及數(shù)學(xué)模型46-72
• 2.1 工作原理46-47
• 2.2 驅(qū)動(dòng)永磁體磁路模型47-55
• 2.3 勵(lì)磁永磁體磁路模型55-59
• 2.4 驅(qū)動(dòng)永磁體工作點(diǎn)計(jì)算59-62
• 2.5 勵(lì)磁永磁體工作點(diǎn)計(jì)算62-65
• 2.6 脈動(dòng)磁阻力抑制65-72
• 第3章 鐵鎵合金測試72-84
• 3.1 彈簧測試72-74
• 3.2 測試原理及實(shí)驗(yàn)裝置74-80
• 3.3 B-H曲線和應(yīng)變曲線測試80-84
• 第4章 三維有限元分析84-118
• 4.1 有限元模型建立84-92
• 4.2 驅(qū)動(dòng)永磁體無勵(lì)磁永磁體磁場計(jì)算92-101
• 4.3 勵(lì)磁永磁體磁場計(jì)算101-103
• 4.4 混合磁場計(jì)算103-112
• 4.4.1 單勵(lì)磁永磁體下混合磁場計(jì)算103-107
• 4.4.2 雙勵(lì)磁永磁體下混合磁場計(jì)算107-112
• 4.5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩計(jì)算112-118
• 4.5.1 無勵(lì)磁永磁體下轉(zhuǎn)子受力計(jì)算112-113
• 4.5.2 單勵(lì)磁永磁體下轉(zhuǎn)子受力計(jì)算113-115
• 4.5.3 雙勵(lì)磁永磁體下轉(zhuǎn)子受力計(jì)算115-118
• 第5章 機(jī)械設(shè)計(jì)118-128
• 5.1 樣機(jī)1設(shè)計(jì)118-124
• 5.2 樣機(jī)1主要存在問題124-125
• 5.3 樣機(jī)2設(shè)計(jì)125-128
• 第6章 樣機(jī)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)測試128-152
• 6.1 樣機(jī)開發(fā)128-129
• 6.2 實(shí)驗(yàn)測試129-152
• 6.2.1 振動(dòng)測試129-137
• 6.2.2 無勵(lì)磁樣機(jī)測試137-140
• 6.2.3 單勵(lì)磁樣機(jī)測試140-144
• 6.2.4 雙勵(lì)磁樣機(jī)測試144-147
• 6.2.5 停止位置不穩(wěn)定現(xiàn)象147-148
• 6.2.6 磁滯回線148-149
• 6.2.7 實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果對比149-152
• 第7章 總結(jié)與展望152-154
• 附件1: 主要零件機(jī)械圖紙154-164
• 參考文獻(xiàn)164-171
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果171

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本文編號：902212