超磁致伸缩致动器的设计与分析
发布时间：2022-01-04 14:25
超磁致伸缩材料作为一种新型的智能材料,因为其具有响应速度快、输出力大、应变量大、定位精度高等优点,广泛应用于磁一声换能器、磁-机驱动器、各种新型传感器以及制备薄膜材料的应用等领域,基于超磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩致动器是国内外的研究热点,已取得许多成果,但其还存在许多问题。在查阅了大量的文献资料后,本文针对致动器设计中尚存在的问题,在致动器的结构设计、磁场优化、性能分析等方面展开了研究和实验,同时对致动器的进一步优化做了理论设计。本文首先从精密加工领域智能材料的出现介绍课题背景,对比超磁致伸缩材料与其它智能材料的优势,然后详细介绍了磁致伸缩效应、超磁致伸缩材料的发展、特性以及应用前景。结合国内外超磁致伸缩致动器的研究现状和目前还存在的问题,提出研究的意义和主要研究内容。其次,分析了致动器的结构组成,阐述了致动器的工作原理和设计方法,并结合致动器设计过程中应该考虑的磁路结构、温控系统、预压装置等问题,提一套自己的设计方案,其中包括GMM棒的选择、激励线圈的计算、温控系统和预压装置的设计,得到致动器的设计简图。继而,介绍电磁场有限元法,通过有限元磁场仿真软件进行磁场仿真优化,分析了在不同...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
线磁致伸缩示意图
7因子，进而削弱退磁能对其磁场的影响。退磁能公式为：12021.3式中是磁化强度，是退磁因子，与材料的形状有关。2.自发形变自发形变可以理解成假设一个晶体在居里温度以上时是一个球形，当它在居里温度以下未外加磁场时，晶体内部的原子间的交换作用使其发生磁化，此过程对应图1.2所示。图1.2自发形变示意图3.场致形变在铁磁体中，电子间的相互耦合作用使电子的自旋磁矩自发排列起来，形成一个个微小的自发磁化区，这种自发磁化区叫作磁畴，磁畴磁化方向的旋转是由于各向异性能（例如磁晶和机械）与外部施加场能之间的平衡引起的。当未外加磁场时，磁畴的排列是混乱的，因而在整体上净磁化强度为0，在宏观上铁磁体并不表现形状或体积的变化。施加外加磁场后，磁畴发生转动，在宏观上表现出铁磁体的伸长，当施加磁场达到饱和磁场值，铁磁体内部磁畴方向与外加磁场方向平行，铁磁体伸长达到极限，此时是饱和磁致伸缩状态。场致形变的整个过程对应如图1.3所示。从自由能极小的观点来看，当磁性材料的磁化状态发生改变时，为了使系统始终保持总能量最小状态，磁性体自身的形状和体积都会发生变化，也就是磁致伸缩。自发形变和形状形变两方面带来的磁致伸缩比较小，一般所说的磁致伸缩是由场致形变引起的。
8(a)H=0(b)0<H<Hs(c)H>=Hs图1.3磁畴内磁矩随外磁场变化情况1.2.3磁致伸缩材料的发展20世纪60年代，美国的ArthurEClark等人发现，Tb、Dy等稀土金属单品物质在磁场作用下能产生巨大的磁致伸缩，比镍的应变大三个数量级，但它们是在低温下实现的。温度条件的限制以及当时压电领域技术不断成熟的事实阻碍了磁致伸缩材料的发展，为了找到提高材料的居里温度、在常温下得到稳定的磁致伸缩的办法，研究者们不断改变稀土(rareearths，R)与镍（Ni）、铁（Fe）等元素的组合和原子量制成合金，其中稀土包括Tb、Dy、Sm和Ho等稀土元素，发现与稀土（R）-镍（Ni）和稀土（R）-钴（Co）化合物的正常居里温度行为相反，稀土（R）-铁（Fe）化合物的居里温度随稀土浓度的升高而增加，这种不寻常的物理特性，尤其是在稀土元素铽（Tb）和Fe的化合物TbFe2中最为明显，这就意味着该二元合金在室温下能表现出很大的磁致伸缩。但是由于这种二元合金的磁晶各向异性能很大，只有在施加很大磁场的情况下，才能获得较大的磁致伸缩值，这种特性限制了材料的应用。经过不断的研究，1974年，美国海军防卫研究所(NOL)的ArthurEClark等人开发成功了一种三元稀土合金材料TbDyFe，其各向异性常数近乎为零，而且在常温下能显示巨大磁致伸缩，并将其推向实用化[17][18][19]。实际上，超磁致伸缩材料不并是特指某一种材料，而是一类材料的总称，这些材料的磁致伸缩系数（λ≥300ppm）比普通的磁致伸缩材料要大，其中TbDyFe、TbDyZn、Fe-Ga、SmFe等稀土合金是比较具有代表性的超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料的制备工艺、磁致伸缩机理和相关器件的研究是近年来研究的热点问题[20][21]。在科学家们发现超磁致伸缩材料之初，它就受到各国科技界、工业界甚至政府部门特别是军事部门的特别
【参考文献】：
期刊论文
[1]偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析[J]. 晋宏炎,鞠晓君,辛涛,王美春,祝贞凤. 传感技术学报. 2017(12)
[2]超磁致伸缩致动器中偏置磁场的有限元模拟[J]. 牟星,唐海军,高学绪,包小倩,李纪恒. 磁性材料及器件. 2014(04)
[3]新型阀用超磁致伸缩致动器结构设计与实验研究[J]. 崔旭,何忠波,李冬伟,李玉龙,薛光明. 机械设计. 2013(05)
[4]超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状[J]. 宣振兴,邬义杰,王慧忠,张雷. 轻工机械. 2011(01)
[5]基于Maxwell 3D的汽车电磁缓速器瞬态电磁场有限元分析与仿真[J]. 薛文惠,李刚炎. 机械工程师. 2007(10)
[6]超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究[J]. 卢全国,陈定方,钟毓宁,陈敏. 中国机械工程. 2007(01)
[7]超精密加工技术的发展现状与趋势[J]. 贺大兴,盛伯浩. 新技术新工艺. 2006(05)
[8]超磁致伸缩压电直线式蠕动机构的设计[J]. 李翠红,叶子申,孟永钢,田煜,温诗铸. 清华大学学报(自然科学版). 2005(08)
[9]相变贮热材料及其在太空中的应用[J]. 钟学明,肖金辉,姜亚龙,李才生. 江西科学. 2004(05)
[10]超磁致伸缩材料及其应用研究[J]. 李松涛,孟凡斌,刘何燕,陈贵峰,沈俊,李养贤. 物理. 2004(10)
博士论文
[1]超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明.哈尔滨工业大学 2013
[2]基于GMM的微致动研究及应用[D]. 卢全国.武汉理工大学 2007
[3]超磁致伸缩执行器的基础理论与实验研究[D]. 唐志峰.浙江大学 2005
[4]超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术[D]. 曹淑瑛.河北工业大学 2004
硕士论文
[1]基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究[D]. 梁俊虎.河北工业大学 2011
[2]超磁致伸缩致动器结构设计与器件特性研究[D]. 陶孟仑.武汉理工大学 2008
[3]超磁致伸缩执行器热误差补偿方法研究及测控平台建立[D]. 徐君.浙江大学 2007
[4]超磁致伸缩驱动器器件研制关键问题研究[D]. 黄赟.西北工业大学 2005
[5]基于超磁致伸缩材料的微位移致动器设计与研究[D]. 刘楚辉.浙江大学 2004
[6]稀土超磁致伸缩致动器的设计及实验研究[D]. 傅龙珠.浙江大学 2003
本文编号：3568503
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
线磁致伸缩示意图
7因子，进而削弱退磁能对其磁场的影响。退磁能公式为：12021.3式中是磁化强度，是退磁因子，与材料的形状有关。2.自发形变自发形变可以理解成假设一个晶体在居里温度以上时是一个球形，当它在居里温度以下未外加磁场时，晶体内部的原子间的交换作用使其发生磁化，此过程对应图1.2所示。图1.2自发形变示意图3.场致形变在铁磁体中，电子间的相互耦合作用使电子的自旋磁矩自发排列起来，形成一个个微小的自发磁化区，这种自发磁化区叫作磁畴，磁畴磁化方向的旋转是由于各向异性能（例如磁晶和机械）与外部施加场能之间的平衡引起的。当未外加磁场时，磁畴的排列是混乱的，因而在整体上净磁化强度为0，在宏观上铁磁体并不表现形状或体积的变化。施加外加磁场后，磁畴发生转动，在宏观上表现出铁磁体的伸长，当施加磁场达到饱和磁场值，铁磁体内部磁畴方向与外加磁场方向平行，铁磁体伸长达到极限，此时是饱和磁致伸缩状态。场致形变的整个过程对应如图1.3所示。从自由能极小的观点来看，当磁性材料的磁化状态发生改变时，为了使系统始终保持总能量最小状态，磁性体自身的形状和体积都会发生变化，也就是磁致伸缩。自发形变和形状形变两方面带来的磁致伸缩比较小，一般所说的磁致伸缩是由场致形变引起的。
8(a)H=0(b)0<H<Hs(c)H>=Hs图1.3磁畴内磁矩随外磁场变化情况1.2.3磁致伸缩材料的发展20世纪60年代，美国的ArthurEClark等人发现，Tb、Dy等稀土金属单品物质在磁场作用下能产生巨大的磁致伸缩，比镍的应变大三个数量级，但它们是在低温下实现的。温度条件的限制以及当时压电领域技术不断成熟的事实阻碍了磁致伸缩材料的发展，为了找到提高材料的居里温度、在常温下得到稳定的磁致伸缩的办法，研究者们不断改变稀土(rareearths，R)与镍（Ni）、铁（Fe）等元素的组合和原子量制成合金，其中稀土包括Tb、Dy、Sm和Ho等稀土元素，发现与稀土（R）-镍（Ni）和稀土（R）-钴（Co）化合物的正常居里温度行为相反，稀土（R）-铁（Fe）化合物的居里温度随稀土浓度的升高而增加，这种不寻常的物理特性，尤其是在稀土元素铽（Tb）和Fe的化合物TbFe2中最为明显，这就意味着该二元合金在室温下能表现出很大的磁致伸缩。但是由于这种二元合金的磁晶各向异性能很大，只有在施加很大磁场的情况下，才能获得较大的磁致伸缩值，这种特性限制了材料的应用。经过不断的研究，1974年，美国海军防卫研究所(NOL)的ArthurEClark等人开发成功了一种三元稀土合金材料TbDyFe，其各向异性常数近乎为零，而且在常温下能显示巨大磁致伸缩，并将其推向实用化[17][18][19]。实际上，超磁致伸缩材料不并是特指某一种材料，而是一类材料的总称，这些材料的磁致伸缩系数（λ≥300ppm）比普通的磁致伸缩材料要大，其中TbDyFe、TbDyZn、Fe-Ga、SmFe等稀土合金是比较具有代表性的超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料的制备工艺、磁致伸缩机理和相关器件的研究是近年来研究的热点问题[20][21]。在科学家们发现超磁致伸缩材料之初，它就受到各国科技界、工业界甚至政府部门特别是军事部门的特别
【参考文献】：
期刊论文
[1]偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析[J]. 晋宏炎,鞠晓君,辛涛,王美春,祝贞凤. 传感技术学报. 2017(12)
[2]超磁致伸缩致动器中偏置磁场的有限元模拟[J]. 牟星,唐海军,高学绪,包小倩,李纪恒. 磁性材料及器件. 2014(04)
[3]新型阀用超磁致伸缩致动器结构设计与实验研究[J]. 崔旭,何忠波,李冬伟,李玉龙,薛光明. 机械设计. 2013(05)
[4]超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状[J]. 宣振兴,邬义杰,王慧忠,张雷. 轻工机械. 2011(01)
[5]基于Maxwell 3D的汽车电磁缓速器瞬态电磁场有限元分析与仿真[J]. 薛文惠,李刚炎. 机械工程师. 2007(10)
[6]超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究[J]. 卢全国,陈定方,钟毓宁,陈敏. 中国机械工程. 2007(01)
[7]超精密加工技术的发展现状与趋势[J]. 贺大兴,盛伯浩. 新技术新工艺. 2006(05)
[8]超磁致伸缩压电直线式蠕动机构的设计[J]. 李翠红,叶子申,孟永钢,田煜,温诗铸. 清华大学学报(自然科学版). 2005(08)
[9]相变贮热材料及其在太空中的应用[J]. 钟学明,肖金辉,姜亚龙,李才生. 江西科学. 2004(05)
[10]超磁致伸缩材料及其应用研究[J]. 李松涛,孟凡斌,刘何燕,陈贵峰,沈俊,李养贤. 物理. 2004(10)
博士论文
[1]超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明.哈尔滨工业大学 2013
[2]基于GMM的微致动研究及应用[D]. 卢全国.武汉理工大学 2007
[3]超磁致伸缩执行器的基础理论与实验研究[D]. 唐志峰.浙江大学 2005
[4]超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术[D]. 曹淑瑛.河北工业大学 2004
硕士论文
[1]基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究[D]. 梁俊虎.河北工业大学 2011
[2]超磁致伸缩致动器结构设计与器件特性研究[D]. 陶孟仑.武汉理工大学 2008
[3]超磁致伸缩执行器热误差补偿方法研究及测控平台建立[D]. 徐君.浙江大学 2007
[4]超磁致伸缩驱动器器件研制关键问题研究[D]. 黄赟.西北工业大学 2005
[5]基于超磁致伸缩材料的微位移致动器设计与研究[D]. 刘楚辉.浙江大学 2004
[6]稀土超磁致伸缩致动器的设计及实验研究[D]. 傅龙珠.浙江大学 2003
本文编号：3568503
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