电机驱动超磁致伸缩执行器

发布时间：2017-09-22 17:45

  本文关键词：电机驱动超磁致伸缩执行器

  更多相关文章： 超磁致伸缩执行器 电机 电机驱动超磁致伸缩执行器 铁镓合金 三维有限元

【摘要】：超磁致伸缩微纳米执行器(GMA)利用超磁致伸缩材料的磁致效应,通过改变驱动磁场,实现超磁致伸缩材料微伸缩,达到微纳米高精度定位目的。超磁致伸缩微纳米执行器已经被广泛研究与开发,其应用包括机械加工、航天、汽车等领域。传统超磁致伸缩执行器通过改变线圈电流实现超磁致伸缩材料微位移输出可调。在维持一定的微位移输出时,电流需要一直保持。此时,执行器无机械功率输出,输入功率以热的形式消耗在线圈电阻上,执行器效率几乎为零。此外,在低频(10 Hz)输出情况下,传统超磁致伸缩执行器的效率也比较低。为了解决传统超磁致伸缩执行器在维持恒定微位移和低频工作条件下的低效问题,本论文设计了一种新型电机驱动超磁致伸缩执行器(Motor-Driven Giant Magnetostrictive Actuator, MDGMA)。该新型电机驱动超磁致伸缩执行器摒弃传统超磁致伸缩执行器线圈电流驱动方式,而是采用旋转永磁体驱动方式。传统超磁致伸缩执行器利用线圈电流改变超磁致伸缩材料内部磁通,实现微位移输出可调。而MDGMA利用旋转永磁体方式改变超磁致伸缩材料内部磁通,实现微位移输出可调。在维持恒定输出微位移时,MDGMA只要维持永磁体空间位置即可实现恒微位移输出。此时,电机不吸收功率,执行器效率远远高于传统超磁致伸缩执行器。通过理论、模拟和实验证明,MDGMA能实现低频微位移输出可调和维持恒定位移输出时的高效。论文分别从理论、模拟和实验来验证MDGMA这一概念的正确性。首先,利用磁路方法建立了数学模型,给出了输出微位移与驱动永磁体转动速度之间的关系表达式；其次,利用三维有限元计算方法验证了MDGMA这一概念,分析了不同励磁磁场、不同永磁体形状和不同旋转角度下的磁场分布；最后,在超磁致伸缩材料铁镓合金特性曲线测试及机械设计的基础上,加工制作了样机,并进行了实验验证。实验测试结果与理论分析结果高度吻合,切实验证了MDGMA这一概念的正确性。本论文所设计的MDGMA具有连续输出位移可调、发热量小和高效等优点,在高效制动装置、高精度定位平台、高精度机械加工执行器和中凸变椭圆活塞加工执行器中具有重要应用前景。
【关键词】：超磁致伸缩执行器 电机 电机驱动超磁致伸缩执行器 铁镓合金 三维有限元
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪言16-46
• 1.1 超磁致伸缩材料概述16-17
• 1.2 铁镓合金超磁致伸缩材料特性17-24
• 1.2.1 超磁致伸缩特性(执行器特性)17-20
• 1.2.2 磁电效应20-21
• 1.2.3 逆磁电效应21-23
• 1.2.4 传感特性23
• 1.2.5 铁镓合金的加工23
• 1.2.6 铁镓合金温度特性23-24
• 1.2.7 弹性模量24
• 1.2.8 磁机耦合24
• 1.3 铁镓合金Galfenol主要应用24-36
• 1.4 传统超磁致伸缩执行器36-38
• 1.5 传统超磁致伸缩执行器主要存在的问题38-44
• 1.6 论文框架44-46
• 第2章 工作原理及数学模型46-72
• 2.1 工作原理46-47
• 2.2 驱动永磁体磁路模型47-55
• 2.3 励磁永磁体磁路模型55-59
• 2.4 驱动永磁体工作点计算59-62
• 2.5 励磁永磁体工作点计算62-65
• 2.6 脉动磁阻力抑制65-72
• 第3章 铁镓合金测试72-84
• 3.1 弹簧测试72-74
• 3.2 测试原理及实验装置74-80
• 3.3 B-H曲线和应变曲线测试80-84
• 第4章 三维有限元分析84-118
• 4.1 有限元模型建立84-92
• 4.2 驱动永磁体无励磁永磁体磁场计算92-101
• 4.3 励磁永磁体磁场计算101-103
• 4.4 混合磁场计算103-112
• 4.4.1 单励磁永磁体下混合磁场计算103-107
• 4.4.2 双励磁永磁体下混合磁场计算107-112
• 4.5 转子转矩计算112-118
• 4.5.1 无励磁永磁体下转子受力计算112-113
• 4.5.2 单励磁永磁体下转子受力计算113-115
• 4.5.3 双励磁永磁体下转子受力计算115-118
• 第5章 机械设计118-128
• 5.1 样机1设计118-124
• 5.2 样机1主要存在问题124-125
• 5.3 样机2设计125-128
• 第6章 样机开发与实验测试128-152
• 6.1 样机开发128-129
• 6.2 实验测试129-152
• 6.2.1 振动测试129-137
• 6.2.2 无励磁样机测试137-140
• 6.2.3 单励磁样机测试140-144
• 6.2.4 双励磁样机测试144-147
• 6.2.5 停止位置不稳定现象147-148
• 6.2.6 磁滞回线148-149
• 6.2.7 实验与理论结果对比149-152
• 第7章 总结与展望152-154
• 附件1: 主要零件机械图纸154-164
• 参考文献164-171
• 攻读博士学位期间取得的研究成果171

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 邬义杰,刘楚辉;超磁致伸缩驱动器设计准则的建立[J];工程设计学报;2004年04期

2 肖俊东,王占林;气/液阀用超磁致伸缩驱动器的设计理论及方法研究[J];机械科学与技术;2005年08期

3 刘楚辉;;超磁致伸缩驱动器的热致输出及其抑制方法[J];机械制造;2006年08期

4 席建敏;何忠波;李冬伟;赵海涛;;超磁致伸缩驱动器原理分析及实验研究[J];科学技术与工程;2010年11期

5 李国平,魏燕定,陈子辰;超磁致伸缩驱动器的输出特性研究[J];农业机械学报;2004年03期

6 王福吉,贾振元,刘巍,张永顺,郭东明;超磁致伸缩薄膜磁致伸缩耦合机理的有限元分析[J];中国机械工程;2005年18期

7 李国平,陈子辰;超磁致伸缩驱动器输出特性的实验研究[J];兵工学报;2005年01期

8 陈敏;卢全国;刘德辉;陈定方;舒亮;;超磁致伸缩驱动器工作温升抑制的有限元分析[J];南昌工程学院学报;2007年03期

9 王伟;宓一鸣;钱士强;周细应;;稀土超磁致伸缩薄膜的研究进展[J];热加工工艺;2007年24期

10 魏玉鹏;王姝;张旭东;李建功;;超磁致伸缩薄膜研究进展[J];材料导报;2008年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 彭太江;伍晓宇;王红志;李积彬;梁雄;;超磁致伸缩驱动器研究与发展[A];2009年广东先进制造技术(佛山)活动周文集[C];2009年

2 刘吉延;马世宁;;超磁致伸缩薄膜低场性能及应用研究[A];第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集[C];2006年

3 刘吉延;马世宁;;超磁致伸缩薄膜低场性能及应用研究[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年

4 彭太江;伍晓宇;王红志;李积彬;梁雄;;超磁致伸缩驱动器研究与发展[A];2009海峡两岸机械科技论坛论文集[C];2009年

5 王福吉;贾振元;赵建国;刘巍;;悬臂梁式超磁致伸缩薄膜驱动器动力学模型[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年

6 吴学忠;谢立强;李圣怡;;超磁致伸缩薄膜性能测试与评价[A];全球化、信息化、绿色化提升中国制造业——2003年中国机械工程学会年会论文集（微纳制造技术应用专题）[C];2003年

7 陈海燕;杨庆新;刘素贞;杨文荣;刘福贵;;超磁致伸缩薄膜执行器的模型建立[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年

8 季诚昌;马伟增;李建国;周尧和;;稀土超磁致伸缩棒材制备工艺[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

9 张超;高旭;裴永茂;;超磁致伸缩薄膜材料的应变效应[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

10 张凯军;;超磁致伸缩薄膜转换器及其在微流体控制元件中的应用[A];2006年全国电子机械和微波结构工艺学术会议论文集[C];2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张丽慧;电机驱动超磁致伸缩执行器[D];浙江大学;2016年

2 刘巍;超磁致伸缩薄膜的磁机耦合特性及其在泳动机器人中的应用[D];大连理工大学;2007年

3 赵亚鹏;超磁致伸缩泵设计理论与实验研究[D];武汉理工大学;2013年

4 王晓煜;超磁致伸缩微位移执行器的系统建模与控制方法研究[D];大连理工大学;2007年

5 王志华;超磁致伸缩式与永磁式振动发电的理论与实验研究[D];河北工业大学;2010年

6 张成明;超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D];哈尔滨工业大学;2013年

7 唐志峰;超磁致伸缩执行器的基础理论与实验研究[D];浙江大学;2005年

8 王福吉;正负超磁致伸缩复合薄膜静动态特性及控制关键技术[D];大连理工大学;2005年

9 那日苏;超磁致伸缩微机械悬臂梁系统的理论研究[D];内蒙古大学;2008年

10 严柏平;超磁致伸缩执行器磁机耦合模型及自感知应用研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李逸信;基于动态Preisach模型的差动型超磁致伸缩微位移控制系统研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 高洪亮;超磁致伸缩液压泵驱动器设计及其在折叠机翼变体飞行器中的应用[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 贾玉龙;超磁致伸缩冻雨传感器的研究[D];河北工业大学;2015年

4 沙钊;非圆孔精密加工超磁致伸缩智能构件的设计方法研究及软件开发[D];浙江大学;2013年

5 黄峗;超磁致伸缩驱动器器件研制关键问题研究[D];西北工业大学;2005年

6 刘彦伟;基于超磁致伸缩驱动的胶液喷射分配器研究[D];中南大学;2008年

7 李应雄;超磁致伸缩爬行电机的设计与仿真[D];河北工业大学;2004年

8 桂礼飞;超磁致伸缩精密位移驱动器的热分析与控制[D];浙江大学;2008年

9 周敏;基于自由能模型的GMA磁机耦合特性研究[D];武汉理工大学;2012年

10 张士军;超磁致伸缩驱动喷射点胶阀的温度场分析与调控[D];中南大学;2012年

，

本文编号：902212