热声制冷用超磁致伸缩驱动器结构设计及特性分析

作     者：刘恩佐 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫洪波

授予年度：2021年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：超磁致伸缩驱动器 结构参数设计 磁-机械耦合 混沌特性 稳定性 

摘      要：热声制冷机由于具备结构比较简单、高效率等优势,在航空航天、信息等领域得到较为广泛的应用。以压电陶瓷扬声器为声驱动器可有效减少热声制冷机体积,但其也存在工作不稳定的缺点。使用超磁致伸缩驱动器（Giant agnetostrictive actuator,GMA）替换压电陶瓷扬声器可进一步改善输出特性,也可有效提升输入声功率密度。然而,由于超磁致伸缩材料（Giant magnetostrictive materials,GMM）具有磁滞特性,这使以GMM为核心部件的GMA输入电流与输出位移间存在磁滞现象,严重破坏GMA稳定性。本文拟设计一款GMA来代替压电陶瓷扬声器作为热声制冷机的声驱动器,围绕GMA结构稳定性完成的研究工作如下:（1）进行热声制冷用GMA结构参数设计可提升电磁转换率,也可有效发挥GMM特性。基于压电陶瓷扬声器的主要性能参数,分别对热声制冷用GMA偏置磁场、预应力、冷却装置选取以及GMM棒、激励线圈的结构参数进行设计,最终达到替换压电陶瓷扬声器的目的。（2）基于有限元软件对热声制冷用GMA磁场进行有限元仿真分析。首先,建立了热声制冷用GMA磁场有限元模型;其次,从GMM棒径向、轴向角度对磁场均匀性进行分析;最后,分别基于外壳厚度、永磁体半径参数实现其对GMM棒内磁场影响的研究。（3）基于GMA工作原理,依据牛顿第二定律、第一压磁方程等原理,建立了GMA磁-机械耦合系统模型;然后对该耦合系统模型进行数值模拟,得到该系统随参数变化的分岔图及相应的位移波形图、相平面轨迹图和Poincaré映射图,并对该系统的混沌特性进行分析;最后研究了参数误差对耦合系统的影响。（4）对该系统进行详细的数值模拟,通过4阶Runge-Kutta法求解GMA磁-机械耦合系统方程,基于其数值解得到了系统在不同参数下的分岔图,并结合位移波形图、相平面轨迹图、Poincaré映射图和幅值谱图来研究系统在等效刚度系数、碟簧二次刚度项系数与碟簧三次刚度项系数变化时系统的混沌特性。本文的研究实现了热声制冷用GMA结构参数设计;建立了GMA磁-机械耦合系统振动方程,并对该系统的混沌特性进行分析。该研究对提高热声制冷机的输出性能及稳定性具有一定的指导作用,也为GMA稳定性设计提供理论支持。