超磁致伸缩致动器结构设计与器件特性研究

论文摘要

超磁致伸缩材料(GMM)以其位移分辨率高、应变大、响应速度快、输出力大、能量密度高等诸多优点,在超精密加工、微电子技术以及生物工程等领域有着广阔的应用前景。GMM材料具有双向可逆能量转换效应,其正磁致伸缩效应可应用于精密致动、流体控制(泵和阀)、声纳系统、主动减振降噪等系统,而其逆磁致伸缩效应则可用于开发力、扭矩、磁场强度等传感器件。GMA(超磁致伸缩致动器)是目前研究的热点,由于GMM材料存在内在的磁致非线性并对温度、应力等因素极为敏感,使得GMA的设计与应用具有一定的难度。论文以智能材料和超精密加工技术为背景,总结了新型微致动技术在超精密加工领域应用的优势及意义。论述了磁致伸缩效应及其机理、超磁致伸缩材料性能特点及其在微致动器件上的应用,为超磁致伸缩致动器的研究和应用提供了必要的基础。GMA器件结构设计的关键在于磁场结构、温控结构设计及器件整体设计方法三个方面。论文总结了GMA设计的若干关键因素及设计原则,分析了一体化设计方法在GMA整体结构设计上的优势。研究了GMM材料设计参数、电磁线圈几何形状因子与磁场优化设计之间的关系。在控制GMA工作温度稳定性上,提出了具有双水冷腔的冷却结构,通过隔热材料抑制热传导和多室循环腔体结构吸收热量的方式达到有效的温度控制,保证了GMA输出的稳定性。论文以线性压磁方程为基础建立了GMA系统的动力学模型,通过仿真分析了GMA系统有效质量、阻尼系数、刚度系数等参数对系统的开环阶跃响应特性及其频率特性的影响,为GMA结构设计参数的优化及器件的应用提供了依据。致动器的工作性能与其主要工作条件预应力、偏置磁场和驱动磁场幅值密切相关,论文通过实验分析了各个独立因素对GMA准静态工作条件下磁滞特性曲线的应变值、磁滞和线性度的影响,以及各因素之间的交互作用。并采用正交实验设计的方法优化了致动器的工作条件。论文针对GMA系统建立了基于虚拟仪器的综合测控平台,采用多线程的程序设计方法实现了对GMA控制以及信号采集、分析、显示的实时操作,满足了GMA特性实验的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.1.1 智能材料与结构
• 1.1.2 超精密加工与微致动技术
• 1.2 超磁致伸缩材料及其应用
• 1.2.1 磁致伸缩效应及其机理
• 1.2.2 超磁致伸缩材料的应用
• 1.3 论文的研究意义与内容安排
• 1.3.1 论文的研究意义
• 1.3.2 论文的内容安排
• 第2章 超磁致伸缩致动器结构设计
• 2.1 GMA工作原理
• 2.2 GMA器件设计原则与一体化设计方法
• 2.2.1 GMA设计原则
• 2.2.2 一体化结构设计方法
• 2.3 GMA功能结构设计
• 2.3.1 GMM材料及其设计因素
• 2.3.2 磁场及其结构
• 2.3.3 温控结构
• 2.3.4 预应力结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 GMA动态特性分析
• 3.1 线性压磁方程
• 3.2 GMA动力学模型及响应分析
• 3.2.1 动力学模型等效参数
• 3.2.2 GMA动力学模型
• 3.2.3 GMA响应特性仿真分析
• 3.3 GMA频率特性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 GMA的虚拟仪器测控系统
• 4.1 虚拟仪器技术
• 4.1.1 信号传输通道
• 4.1.2 虚拟仪器开发环境
• 4.2 GMA测控系统硬件结构
• 4.2.1 GMA测控系统框架及其控制模型
• 4.2.2 数据采集卡
• 4.2.3 LVDT测微仪
• 4.2.4 数控恒流源
• 4.3 GMA测控系统软件功能设计
• 4.3.1 LabWindows/CVI软件开发平台
• 4.3.2 数据采集卡DLL
• 4.3.3 多线程程序结构设计
• 4.3.4 软件系统结构及功能模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 GMA工作性能分析与实验设计
• 5.1 GMA工作性能及其影响因素
• 0）'>5.1.1 预应力（σ₀）
• 0）'>5.1.2 偏置磁场（H₀）
• 5.1.3 驱动磁场（H）
• 5.1.4 预应力、驱动磁场与偏置磁场的交互作用
• 5.2 GMA多因素实验设计与分析
• 5.2.1 实验设计方法
• 5.2.2 GMA多因素正交实验设计
• 5.2.3 正交实验设计结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果