超磁致伸缩驱动器的优化设计研究

发布时间：2017-05-27 19:09

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【摘要】： 随着天文观测技术和空间探测技术的飞速发展,对大型光学天文望远镜的精度提出了越来越苛刻的要求。为此,拼接镜面主动光学技术逐渐广泛应用于大型天文望远镜系统中,而该技术的核心部件是拼接子镜的微位移驱动器。微位移驱动器性能的好坏,将直接关系到天文望远镜系统的精度。现有的微位移驱动器,不能同时满足位移量大、控制精度高、负载能力强三项驱动需求。 针对这一挑战,在已有的对于微位移驱动器以及超磁致伸缩驱动器的研究基础上,本论文研究面向大型天文望远镜应用需求,在设计一种驱动位移大、控制精度高、负载能力强的超磁致伸缩微位移驱动器(简称GMA)方面进行了探索。本论文针对未来实现GMA辅助优化设计系统的目标,主要在磁致伸缩非线性磁滞特性有限元建模和驱动仿真方面进行了研究探索,并进行了驱动器优化设计尝试。这些工作为未来实现GMA高效设计奠定了良好的理论和设计实践基础。本文的主要内容包括: 第一章:首先介绍了大型天文望远镜系统的组成以及天文望远镜驱动器的发展现状,接着根据研究需要介绍了材料的发展历程及GMA的研究现状,最后在总结GMA在我国的发展应用现状以及材料磁滞非线性模型发展现状的基础上,说明了论文的研究意义及主要研究内容。 第二章:总结了材料磁致伸缩的基本原理,材料的一些基本特性,并给出了表征材料特性的最重要的几个参数。随后,搭建材料特性测试实验平台,对材料重要性能参数进行了详细测定,为后续GMA的优化设计提供了数据支持。 第三章:首先,讨论了驱动器内部励磁线圈和偏置磁场的磁路模型,随后基于毕奥—萨伐尔定律和铁磁学基本理论,对励磁线圈和偏置圆筒永磁铁的轴线磁场建立了数学模型。随后采用MATLAB编程计算了励磁线圈和偏置永磁套筒轴线上的磁场分布。针对数学模型不能充分反映驱动器材料和结构尺寸的选择对驱动器电磁性能的影响,采用电磁场有限元分析方法,在ANSYS软件中对驱动器进行了电磁场仿真计算,充分讨论了材料和结构对驱动器磁场性能的影响,为第五章的驱动器详细设计提供了依据。 第四章:针对GMA的磁滞非线性特性进行建模,推导了电磁、机械两个物理场的弱解形式的方程,根据第二章给出的线性本构关系推导了适用于有限元求解的形式,同时采用Jiles-Atherton模型描述材料的磁滞回特性。随后,采用COMSOL Multiphysics软件对前面建立的数学模型进行了建模实现,通过与实验结果对比,验证了该模型的正确性,并讨论了模型的不足与改进。 第五章:根据前面三章给出的驱动器设计的优化准则,给出了带永磁偏置和无永磁偏置的两种GMA的具体结构参数,进行了驱动器的详细设计和制造。随后对驱动器进行了静、动态特性测试,证实设计的驱动器基本能够满足设计指标。本论文研究最终实现了多级驱动器和放大机构组装样机,完成了整机驱动位移和驱动精度性能测试。 第六章:对论文工作进行总结,指出论文的创新点,并展望进一步的研究工作。
【关键词】：磁致伸缩 微位移驱动器 有限元 磁滞非线性 电-磁-机械耦合
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH751
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题的研究背景13-17
• 1.1.1 大型天文望远镜系统简介13-15
• 1.1.2 天文望远镜驱动器现状研究15-17
• 1.2 国内外研究现状17-21
• 1.2.1 超磁致伸缩材料发展概况17-19
• 1.2.2 超磁致伸缩材料的研究现状19-21
• 1.3 选题意义及研究内容21-24
• 1.3.1 选题意义21-22
• 1.3.2 课题研究内容22-24
• 第二章 超磁致伸缩材料性能及测试24-41
• 2.1 引言24
• 2.2 超磁致伸缩原理及特性24-30
• 2.2.1 超磁致伸缩机理24-26
• 2.2.2 超磁致伸缩材料特性26-29
• 2.2.3 线性压磁方程29-30
• 2.3 超磁致伸缩材料性能参数测量分析30-39
• 2.3.1 磁致伸缩系数λ33 的测定31-33
• 2.3.2 相对磁导率μσ的测定33-37
• 2.3.3 其他参数的测量37-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 超磁致伸缩驱动器磁场分析41-60
• 3.1 引言41
• 3.2 驱动器磁路模型41-44
• 3.2.1 无磁偏置驱动器磁路模型42-43
• 3.2.2 永磁偏置驱动器磁路模型43-44
• 3.3 励磁场模型44-47
• 3.3.1 激励线圈磁场模型44-45
• 3.3.2 偏置永磁铁磁场模型45-47
• 3.3.3 超磁致伸缩棒内部的磁场模型47
• 3.4 磁场模型的MATLAB 仿真47-50
• 3.5 驱动器ANSYS 磁场有限元仿真50-59
• 3.5.1 ANSYS 磁场有限元仿真步骤50-52
• 3.5.2 材料属性对磁致伸缩棒内部磁场强度的影响分析52-56
• 3.5.3 结构尺寸对磁致伸缩棒内部磁场强度的影响分析56-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第四章 超磁致伸缩驱动器耦合模型及仿真分析60-79
• 4.1 引言60
• 4.2 驱动器磁滞非线性耦合分析理论基础60-69
• 4.2.1 驱动器电磁场基本理论60-62
• 4.2.2 驱动器结构理论62-65
• 4.2.3 驱动器线性耦合场理论65-67
• 4.2.4 磁滞回的物理建模67-69
• 4.3 电磁-机械耦合仿真的实现69-78
• 4.3.1 COMSOL Multiphysics 软件简介69-70
• 4.3.2 COMSOL 耦合场仿真的操作过程70-76
• 4.3.3 有限元分析结果的讨论76-78
• 4.4 本章小结78-79
• 第五章 超磁致伸缩驱动器设计及特性实验79-96
• 5.1 引言79
• 5.2 驱动器结构设计及参数79-86
• 5.2.1 GMA 的总体结构设计79-80
• 5.2.2 驱动器结构设计80-84
• 5.2.3 驱动器设计结果84-86
• 5.3 单驱动器特性测试86-91
• 5.3.1 实验系统与平台搭建87-88
• 5.3.2 静态特性测试88-90
• 5.3.3 动态特性测试90-91
• 5.4 组合驱动器及性能测试91-95
• 5.4.1 组合驱动器介绍91-92
• 5.4.2 组合驱动器性能测试92-95
• 5.5 本章小结95-96
• 第六章 总结与展望96-99
• 6.1 主要结论96-97
• 6.2 主要创新97
• 6.3 研究展望97-99
• 参考文献99-105
• 致谢105-106
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文106-107
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目107-109

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王松;赵祥模;惠飞;王润民;张建阳;;基于DSP的超磁致伸缩换能器驱动电源设计[J];电子设计工程;2012年12期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 吕扬名;基于永磁伸缩驱动机构的力控振动平台集成设计研究[D];上海交通大学;2011年

2 王朋;非圆曲面孔用超磁致伸缩致动器多目标优化[D];山东大学;2012年

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本文编号：400906