磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究

论文摘要

磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy简称MSMA)是近几年出现的一种新型功能材料,该材料在马氏体条件下外加磁场可以使其有较大的变形率,并具有形状记忆功能,力能密度大,响应频率高,有望成为新一代智能驱动器和传感器的关键材料。目前国内外对其研究主要集中在微观结构、温度和材料组成成分、磁感生应变等方面,对其应用研究较少。本文主要在对MSMA材料特性实验研究的基础上,进行了该种材料在执行器中的应用基础研究。 首先研究了MSMA的变形机理、马氏体择优取向的过程,分析了MSMA样品的微观结构和物理特性。然后根据相界面摩擦理论,推导了MSMA系统热力学参量的表达式,计算了不同样品马氏体相变过程中界面摩擦所消耗的能量。结果表明相界面运动消耗的能量仅占相变潜热的很小部分,且相变潜热越大,相界面运动的摩擦耗能越小,正是相变过程中的界面摩擦导致了相变的热滞后。 由于MSMA材料的温度、压力、磁场和变形率之间是一个复杂的非线性多变量系统,目前难以对其特性进行定量分析,为此利用自行设计的实验装置,对MSMA材料在不同温度、磁场、预压力下的外特性进行了系统的实验研究,提出了一种测量MSMA材料相对导磁率的方法,研究了利用弹簧恢复形变的静、动态变化规律,并对导磁率的非线性关系进行了实验研究。在实验研究的基础上,建立了忽略温度变化的执行器系统的数学模型。 尽管MSMA的变形率较大,但直接用以制造大行程的直线驱动器比较困难,一是需要用较多的MSMA材料,成本较高;二是体积大所需励磁功率较大。因此利用仿生学蠕动原理设计了MSMA直线驱动器,将MSMA小步距的位移累加形成直线驱动器所需要的大行程。设计制作了样机,实现了大步距的双向运动,对励磁电流、位移和通电频率之间的关系进行了探讨。 提出了一种采用永磁体产生偏磁磁场的MSMA差动控制策略,可以减小励磁功率、消除温度影响和提高控制精度。研制了首台差动式MSMA执行器实验样机,进行了交、直流实验研究,验证了控制策略和设计方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁控形状记忆合金NiMnGa的研究概况
• 1.2.1 形状记忆合金的发展概况
• 2MnGa合金的磁性起源和晶体结构'>1.2.2 Ni₂MnGa合金的磁性起源和晶体结构
• 2MnGa合金的相变温度、居里温度与成分的关系'>1.2.3 Ni₂MnGa合金的相变温度、居里温度与成分的关系
• 1.2.4 NiMnGa合金的中间马氏体相变和预马氏体相变
• 2MnGa合金的磁感生应变'>1.2.5 Ni₂MnGa合金的磁感生应变
• 2MnGa合金的应力—应变特性及单变体马氏体的磁性'>1.2.6 Ni₂MnGa合金的应力—应变特性及单变体马氏体的磁性
• 1.3 磁控形状记忆合金执行器的研究现状及其应用前景
• 1.3.1 磁控形状记忆合金执行器的研究现状
• 1.3.2 磁控形状记忆合金执行器的应用
• 1.4 本文研究的目的、意义和研究内容
• 1.4.1 本论文研究的目的、意义
• 1.4.2 本论文研究的主要内容
• 第二章 MSMA材料的变形机理及相变热力学理论的研究
• 2.1 引言
• 2.2 MSMA变形机理和理论
• 2.2.1 磁控形状记忆效应
• 2.2.2 MSMA材料中的马氏体相变
• 2.2.3 MSMA材料的变形机理
• 2.2.4 MSMA微观结构和物理特性
• 2.2.5 晶体学和力学性能
• 2.3 MSMA变形机理与温控形状记忆合金和磁致效应的比较
• 2.3.1 与马氏体相变相关的形状记忆效应的比较
• 2.3.2 与磁致伸缩效应的比较
• 2.4 MSMA马氏体相变热滞后的研究
• 2.4.1 MSMA样品的相变温度测定
• 2.4.2 界面摩擦理论模型
• 2.4.3 相变热滞测量
• 2.4.4 热动力学理论计算
• 2.4.5 结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁控形状记忆合金的数学模型及磁控特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 MSMA的磁控特性
• 3.2.1 磁场强度的方向
• 3.2.2 MSMA在磁场作用下变形后恢复原来形状的方法
• 3.3 磁控形状记忆合金模型
• 3.4 MSMA特性测试装置的设计
• 3.5 MSMA的静态特性研究
• 3.5.1 恒定温度和恒定磁通密度下预应力与MSMA变形的关系
• 3.5.2 恒温恒压下MSMA变形率与施加磁感应强度大小的关系
• 3.5.3 恒压力恒磁通下MSMA变形率与温度的关系
• 3.5.4 静态应力下的直流驱动
• 3.6 MSMA的动态特性研究
• 3.6.1 磁场强度不变时预压力对MSMA动态变形影响
• 3.6.2 磁场不变时温度对MSMA磁控特性的影响
• 3.6.3 不同预压力下MSMA变形与施加磁场大小的动态关系
• 3.6.4 MSMA动态磁导率的测定
• 3.7 本章小结
• 第四章 MSMA直线驱动器的研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 SMA驱动器
• 4.1.2 压电式驱动器
• 4.1.3 超磁致伸缩（Terfenol-D）驱动器
• 4.2 蠕动型MSMA直线驱动器的工作原理
• 4.3 蠕动型直线驱动器的设计
• 4.3.1 MSMA直线驱动器的总体结构设计
• 4.3.2 MSMA尺寸与弹簧压力的确定
• 4.3.3 磁路及励磁绕组设计
• 4.4 蠕动型直线驱动器简化动力模型
• 4.4.1 静态位移力模型
• 4.4.2 蠕动型直线驱动器的动力学方程
• 4.4.3 计算结果
• 4.5 蠕动型直线驱动器控制系统设计
• 4.5.1 模拟控制系统设计
• 4.5.2 数字控制系统设计
• 4.6 样机设计与试验
• 4.7 本章小节
• 第五章 差动式磁控形状记忆合金执行器研究
• 5.1 引言
• 5.2 差动式MSMA执行器的工作原理
• 5.3 差动式MSMA执行器的设计
• 5.3.1 差动式MSMA执行器的结构
• 5.3.2 差动式MSMA执行器输出力与位移分析
• 5.3.3 差动式MSMA执行器磁场分析
• 5.4 差动式MSMA执行器样机的研制与实验
• 5.4.1 差动式MSMA执行器样机的研制
• 5.4.2 差动式MSMA执行器实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢