基于GMM高频微小泵的结构及其机理研究

论文摘要

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一种新型的稀土功能材料,具有磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高、输出力大等显著的特点,以其优异的性能和良好的应用前景而得到了世界各国研究者的广泛关注,其相应的理论及应用研究正日益广泛,相关的各种应用器件正被世界各地的研究者开发出来。本文对超磁致伸缩材料(GMM)的特性进行了详细的分析与研究,并设计一种直动型超磁致伸缩材料电—机械转换器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)与微小泵一体的结构。对GMA电—机械转换器进行了静动态理论分析且在此基础上建立了其动态仿真模型,仿真结果表明较一般电—机转换器具有响应速度快、输出力大等显著特点。GMA阶跃响应上升时间在0.5ms左右,频宽在1800Hz左右,单位电流输出力可达572N。基于GMA的诸多优点,以提高传统泵的频宽、响应速度等动态特性为指导思想,本文利用GMA取代传统泵中的简单电机驱动,提出了一种新型的高频微小泵的实现方案和具体结构,并给出了其具体的结构参数设计依据。同时建立了GMM高频微小泵的数学模型与仿真模型。通过一组原始数据分别对GMA电—机械转换器与高频微小泵进行了参数设计及仿真研究,仿真结果说明了利用超磁致伸缩材料研制的高频微小泵,具有高频响、高精度、的特性,从理论上证明了GMM高频微小泵的性能优势;利用计算流体力学的方法,建立了微小泵的吸油和排油过程的数学模型,采用流场仿真获得了泵腔的流速、压力等分布规律;同时对GMM微小泵的具体性能参数进行了参数计算,得出微小泵的理论流量、实际流量、效率、脉动等方面的具体参数;最后对基于GMM的高频微小泵的实验提出了初步的构想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 液压泵的发展历史与趋势
• 1.1.1 几种传统液压泵
• 1.1.2 几种新型微小泵
• 1.2 超磁致伸缩材料及其优点
• 1.2.1 GMM的性能优越性
• 1.3 国内外应用研究概况
• 1.3.1 主要应用领域
• 1.4 课题研究意义及研究内容
• 1.4.1 课题研究意义
• 1.4.2 技术研究难点
• 1.4.3 课题研究内容
• 2 超磁致伸缩材料的特性分析及其磁致伸缩现象机理
• 2.1 超磁致伸缩材料简介
• 2.1.1 超磁致伸缩材料发展简史
• 2.1.2 超磁致伸缩材料成分研究
• 2.2 超磁致伸缩材料基本特性
• 2.2.1 超磁致伸缩材料磁致伸缩现象及诱发机理
• 2.3 磁致伸缩的物理效应及压磁方程
• 2.3.1 磁致伸缩的物理效应
• 2.3.2 压磁方程
• 2.4 超磁致伸缩材料磁致伸缩特性
• 2.4.1 超磁致伸缩的磁场特性
• 2.4.2 超磁致伸缩的压力特性
• 2.5 超磁致伸缩材料的相关理论研究
• 3 GMM高频微小泵的结构设计与综合
• 3.1 总体结构和原理
• 3.1.1 结构原理
• 3.1.2 关键技术难点
• 3.2 轴向预压力的方法及预压弹簧参数选取
• 3.3 线圈磁路的构成
• 3.3.1 磁路计算与分析
• 3.3.2 线圈结构和参数计算
• 3.4 位移输出机构的设计及参数选择
• 3.4.1 输出杆的设计
• 3.4.2 密封圈的选择
• 3.5 泵的配流
• 3.5.1 前端盖的设计及参数选择
• 3.5.2 单向阀的设计
• 3.6 基于GMM的高频微小泵的总体结构
• 4. GMM转换器及其高频微小泵的建模与仿真
• 4.1 GMM转换器的输出模型
• 4.1.1 静态模型
• 4.1.2 动态模型
• 4.2 GMM转换器的动态访真
• 4.2.1 仿真模型的建立
• 4.2.2 仿真结果分析
• 4.3 GMM高频微小泵的建模与仿真
• 4.3.1 GMM高频微小泵的模型
• 4.3.2 GMM高频微小泵的仿真结果与分析
• 5 GMM高频微小泵泵腔流场数值模拟
• 概述
• 5.1 计算流体动力学（CFD）简介
• 5.2 流场仿真数学模型
• 5.3 泵腔吸排油的流场计算
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 边界条件
• 6 GMM高频微小泵的性能分析及实验方案初步设计
• 6.1 GMM高频微小泵的主要性能参数
• 6.1.1 压力
• 6.1.2 流量和排量
• 6.1.3 功率
• 6.1.4 效率
• 6.1.5 脉动率
• 6.2 实验方案设计
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果