超磁致伸縮致動器結構設計與器件特性研究.pdf

1、超磁致伸縮材料(GMM)以其位移分辨率高、應變大、響應速度快、輸出力大、能量密度高等諸多優(yōu)點，在超精密加工、微電子技術以及生物工程等領域有著廣闊的應用前景。GMM材料具有雙向可逆能量轉換效應，其正磁致伸縮效應可應用于精密致動、流體控制(泵和閥)、聲納系統(tǒng)、主動減振降噪等系統(tǒng)，而其逆磁致伸縮效應則可用于開發(fā)力、扭矩、磁場強度等傳感器件。GMA(超磁致伸縮致動器)是目前研究的熱點，由于GMM材料存在內在的磁致非線性并對溫度、應力等因素極為敏

2、感，使得GMA的設計與應用具有一定的難度。 論文以智能材料和超精密加工技術為背景，總結了新型微致動技術在超精密加工領域應用的優(yōu)勢及意義。論述了磁致伸縮效應及其機理、超磁致伸縮材料性能特點及其在微致動器件上的應用，為超磁致伸縮致動器的研究和應用提供了必要的基礎。 GMA器件結構設計的關鍵在于磁場結構、溫控結構設計及器件整體設計方法三個方面。論文總結了GMA設計的若干關鍵因素及設計原則，分析了一體化設計方法在GMA整體結構設

3、計上的優(yōu)勢。研究了GMM材料設計參數(shù)、電磁線圈幾何形狀因子與磁場優(yōu)化設計之間的關系。在控制GMA工作溫度穩(wěn)定性上，提出了具有雙水冷腔的冷卻結構，通過隔熱材料抑制熱傳導和多室循環(huán)腔體結構吸收熱量的方式達到有效的溫度控制，保證了GMA輸出的穩(wěn)定性。 論文以線性壓磁方程為基礎建立了GMA系統(tǒng)的動力學模型，通過仿真分析了GMA系統(tǒng)有效質量、阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)等參數(shù)對系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應特性及其頻率特性的影響，為GMA結構設計參數(shù)的優(yōu)化及器

4、件的應用提供了依據(jù)。 致動器的工作性能與其主要工作條件預應力、偏置磁場和驅動磁場幅值密切相關，論文通過實驗分析了各個獨立因素對GMA準靜態(tài)工作條件下磁滯特性曲線的應變值、磁滯和線性度的影響，以及各因素之間的交互作用。并采用正交實驗設計的方法優(yōu)化了致動器的工作條件。 論文針對GMA系統(tǒng)建立了基于虛擬儀器的綜合測控平臺，采用多線程的程序設計方法實現(xiàn)了對GMA控制以及信號采集、分析、顯示的實時操作，滿足了GMA特性實驗的要求。