超磁致伸缩驱动器的结构优化与磁滞建模分析

作     者：鲍焱 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王传礼

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：超磁致伸缩材料 磁场结构 预压应力装置 温度补偿系统 磁滞非线性 

摘      要：超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator,简称GMA)具有响应速度快、应变量大、输出力大等优点,能够实现电磁能和机械能或电磁信息和机械位移信息之间相互转换,是微位移驱动器、液压元件和振动控制的重要驱动元件。但超磁致伸缩驱动器具有磁滞非线性特性,限制了超磁致伸缩驱动器的应用范围。因此,对超磁致伸缩驱动器进行结构优化及其磁滞非线性的建模分析,无论在理论和实际工程应用方面都具有重要意义。本文以超磁致伸缩驱动器为研究对象,对预压应力装置、温度补偿系统、磁场结构进行优化设计并仿真分析。采用ANSYS有限元软件对预压力装置进行静力学及模态分析,找出了驱动器的工作频率区间;分析了温度补偿系统的散热性能,表明所设计的温度补偿系统具有良好的降温效果;建立了磁场结构的磁路模型,并采用有限元法对其进行仿真分析,表明了建立的磁路模型是准确的;建立了超磁致伸缩驱动器的磁滞模型,并基于Jiles-Atherton模型建立了GMA的输出力等效模型。研究结果表明:设计的新型的预压应力装置承受最大应力达955MPa,其一阶谐振频率为269.46Hz,其值小于GMA的工作频率,对GMA产生影响较小;无温度补偿装置时,GMM棒上的最高温度为65.369℃,当采用温度补偿系统时温度保持为23.753℃,表明设计的温度补偿系统具有良好的降温性能;当仅有驱动线圈时,GMA内部的磁通密度分布不均匀,最大磁通密度为4.7×10-4T,当在GMM棒两端加入导磁块时,GMA内部的磁场分布明显均匀,最大磁通密度为6.11 ×10-4T,当加入外套筒形成闭合磁路时,GMA内部的最大磁通密度增大到6.77×104T,表明所设计的磁场结构导磁性能好;基于Jiles-Atherton模型,建立了等效力学模型,并得出了在激励磁场的作用下,GMA的输出位移随时间的变化曲线,有效模拟出了 GMA的磁滞非线性特性;分析了不同偏置磁场强度、饱和磁化强度以及外部等效质量、刚度、阻尼因素对GMA输出性能的影响,得出了当偏置磁场增大时,GMA的响应幅值减小,当饱和磁化强度、外部等效质量、刚度、阻尼增大时,GMA的滞回环面积减小。