惯性式超磁致伸缩直线驱动器建模与实验
发布时间：2021-07-05 10:07
为了满足大行程、高精度直线位移的需求,根据尺蠖运动原理,设计出一种惯性冲击式超磁致伸缩直线驱动器,通过对激励线圈施加锯齿波信号,可以实现步进式累积位移运动。根据电压定律、磁阻理论和动力学理论,以磁路模型、标准平方模型和J-A模型为基础,建立系统的位移模型。搭建实验平台,对设计的样机进行实验测试。模拟和实验结果表明:驱动器的平均最小和最大单步位移为2.41mm和7.49mm,最大工作频率为60Hz;柔性铰链两端位移的实验值曲线和模拟值曲线基本吻合;在工作电压3～9V范围内,系统输出位移的实验值和模拟值最大相对误差为6.48%。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
惯性式驱动器的总体结构组成螺钉导轨AGMM棒永磁铁线圈永磁铁B
形块A楔形块B永磁铁A永磁铁B图3预压机构施加预压力示意图Fig.3Schematicdiagramofpreloadingmechanismapplyingpreloading螺距为0.5mm，计算得调整螺钉拧紧3.88圈可产生需要的预压力。2有限元分析验证2.1柔性铰链强度校核柔性铰链作为驱动器的弹性元件，需要有良好的弹性性能，材料选用弹性性能较好的65Mn弹簧钢。GMM棒伸长时，柔性铰链产生弯曲形变并储存能量；GMM棒收缩时，柔性铰链释放能量，柔性铰链回到初始状态。采用有限元分析法对柔性铰链进行仿真验证，图4为GMM棒输出最大位移时柔性铰链的应力分布图，从图中可以看出，各单个柔性铰链的应力分布情况基本相同，平均分配了整个柔性铰链的应力，有效地改善了柔性铰链的受力情况。应力主要集中在各单个柔性铰链的根部，其最大应力为49.56MPa，小于65Mn弹簧钢的极限应力785MPa，满足设计要求。表面：vonMises应力/MPa50403020100图4柔性铰链最大形变时的应力分布图Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模态动力学分析柔性铰链采用整体线切割加工而成，系统工作时，柔性铰链周期性的伸长和收缩，直线驱动器周期性输出位移，为避免产生共振，对直线驱动器进行模态分析。在Comsol软件中通过有限元分析来确定其谐振频率，驱动器的前四阶模态振型如图5所示，前四阶谐振频率分别为406、1431、1538和1541Hz。通过对样品的实验测试，确定驱动器的最大稳定工作频率为60Hz，远小于一阶谐振频率，满足设计要求。一阶模态振型二阶模态振型三阶模态振型四阶模态振型图5驱动器模态动力学分析结果Fig.5Modaldynamicsanaly
个柔性铰链的根部，其最大应力为49.56MPa，小于65Mn弹簧钢的极限应力785MPa，满足设计要求。表面：vonMises应力/MPa50403020100图4柔性铰链最大形变时的应力分布图Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模态动力学分析柔性铰链采用整体线切割加工而成，系统工作时，柔性铰链周期性的伸长和收缩，直线驱动器周期性输出位移，为避免产生共振，对直线驱动器进行模态分析。在Comsol软件中通过有限元分析来确定其谐振频率，驱动器的前四阶模态振型如图5所示，前四阶谐振频率分别为406、1431、1538和1541Hz。通过对样品的实验测试，确定驱动器的最大稳定工作频率为60Hz，远小于一阶谐振频率，满足设计要求。一阶模态振型二阶模态振型三阶模态振型四阶模态振型图5驱动器模态动力学分析结果Fig.5Modaldynamicsanalysisoftheactuator3输出位移模型建立根据电路叠加原理，将锯齿波电压激励信号的单个周期简化为阶跃信号u1(t)和递减信号u2(t)的叠加，如图6所示。u(t)u00u0(a)电压激励信号Tt02u0u1(t)u2(t)3u00u0tt(b)阶跃信号(c)递减信号图6锯齿波信号的简化叠加Fig.6Simplifiedsuperpositionofsawtoothwavesignals阶跃信号u1(t)的表达式为100,0()2,0tutut(2)递减信号u2(t)的表达式为200,0()(2),0tutuTttT(3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]超磁致伸缩谐波电机致动器设计方法与特性研究[J]. 朱林剑,曹向峥,陆玉前. 机械工程学报. 2018(22)
[2]超磁致伸缩致动器的等效电路模型研究及实验分析[J]. 李一宁,张培林,何忠波,薛光明. 中国电机工程学报. 2018(11)
[3]超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化[J]. 杨旭磊,朱玉川,费尚书,纪良,郭亚子. 航空动力学报. 2016(09)
[4]基于惯性冲击的磁致伸缩电机及其运动性能[J]. 赵冉,卢全国. 磁性材料及器件. 2016(01)
[5]超磁致伸缩功率超声换能器热分析[J]. 曾海泉,曾庚鑫,曾建斌,闫明. 中国电机工程学报. 2011(06)
[6]超磁致伸缩加速度传感器(英文)[J]. 闫荣格,杨庆新,杨文荣,侯淑萍,高少杰,颜威利. 中国电机工程学报. 2009(24)
[7]磁致伸缩材料的非线性本构关系[J]. 万永平,方岱宁,黄克智. 力学学报. 2001(06)
本文编号：3265871
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
惯性式驱动器的总体结构组成螺钉导轨AGMM棒永磁铁线圈永磁铁B
形块A楔形块B永磁铁A永磁铁B图3预压机构施加预压力示意图Fig.3Schematicdiagramofpreloadingmechanismapplyingpreloading螺距为0.5mm，计算得调整螺钉拧紧3.88圈可产生需要的预压力。2有限元分析验证2.1柔性铰链强度校核柔性铰链作为驱动器的弹性元件，需要有良好的弹性性能，材料选用弹性性能较好的65Mn弹簧钢。GMM棒伸长时，柔性铰链产生弯曲形变并储存能量；GMM棒收缩时，柔性铰链释放能量，柔性铰链回到初始状态。采用有限元分析法对柔性铰链进行仿真验证，图4为GMM棒输出最大位移时柔性铰链的应力分布图，从图中可以看出，各单个柔性铰链的应力分布情况基本相同，平均分配了整个柔性铰链的应力，有效地改善了柔性铰链的受力情况。应力主要集中在各单个柔性铰链的根部，其最大应力为49.56MPa，小于65Mn弹簧钢的极限应力785MPa，满足设计要求。表面：vonMises应力/MPa50403020100图4柔性铰链最大形变时的应力分布图Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模态动力学分析柔性铰链采用整体线切割加工而成，系统工作时，柔性铰链周期性的伸长和收缩，直线驱动器周期性输出位移，为避免产生共振，对直线驱动器进行模态分析。在Comsol软件中通过有限元分析来确定其谐振频率，驱动器的前四阶模态振型如图5所示，前四阶谐振频率分别为406、1431、1538和1541Hz。通过对样品的实验测试，确定驱动器的最大稳定工作频率为60Hz，远小于一阶谐振频率，满足设计要求。一阶模态振型二阶模态振型三阶模态振型四阶模态振型图5驱动器模态动力学分析结果Fig.5Modaldynamicsanaly
个柔性铰链的根部，其最大应力为49.56MPa，小于65Mn弹簧钢的极限应力785MPa，满足设计要求。表面：vonMises应力/MPa50403020100图4柔性铰链最大形变时的应力分布图Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模态动力学分析柔性铰链采用整体线切割加工而成，系统工作时，柔性铰链周期性的伸长和收缩，直线驱动器周期性输出位移，为避免产生共振，对直线驱动器进行模态分析。在Comsol软件中通过有限元分析来确定其谐振频率，驱动器的前四阶模态振型如图5所示，前四阶谐振频率分别为406、1431、1538和1541Hz。通过对样品的实验测试，确定驱动器的最大稳定工作频率为60Hz，远小于一阶谐振频率，满足设计要求。一阶模态振型二阶模态振型三阶模态振型四阶模态振型图5驱动器模态动力学分析结果Fig.5Modaldynamicsanalysisoftheactuator3输出位移模型建立根据电路叠加原理，将锯齿波电压激励信号的单个周期简化为阶跃信号u1(t)和递减信号u2(t)的叠加，如图6所示。u(t)u00u0(a)电压激励信号Tt02u0u1(t)u2(t)3u00u0tt(b)阶跃信号(c)递减信号图6锯齿波信号的简化叠加Fig.6Simplifiedsuperpositionofsawtoothwavesignals阶跃信号u1(t)的表达式为100,0()2,0tutut(2)递减信号u2(t)的表达式为200,0()(2),0tutuTttT(3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]超磁致伸缩谐波电机致动器设计方法与特性研究[J]. 朱林剑,曹向峥,陆玉前. 机械工程学报. 2018(22)
[2]超磁致伸缩致动器的等效电路模型研究及实验分析[J]. 李一宁,张培林,何忠波,薛光明. 中国电机工程学报. 2018(11)
[3]超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化[J]. 杨旭磊,朱玉川,费尚书,纪良,郭亚子. 航空动力学报. 2016(09)
[4]基于惯性冲击的磁致伸缩电机及其运动性能[J]. 赵冉,卢全国. 磁性材料及器件. 2016(01)
[5]超磁致伸缩功率超声换能器热分析[J]. 曾海泉,曾庚鑫,曾建斌,闫明. 中国电机工程学报. 2011(06)
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[7]磁致伸缩材料的非线性本构关系[J]. 万永平,方岱宁,黄克智. 力学学报. 2001(06)
本文编号：3265871
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