超磁致伸縮執行器畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的主要原因。 ②磁機耦合系數(K)高。比壓電陶瓷(PZT)高6～30倍，這使其稱為實現電磁機械能量轉換的優異的功能材料。③輸出應力大。在外加預應力時，在低磁場下材料的磁致伸縮隨磁場產生“跳躍”式增加，其磁化率也隨之變化，這一效應對于實際應用具有重要意義。因為產生巨大磁致伸縮應變所需的磁場很容易達到，可以使器件的結構簡單緊湊，輸出功率比PZT材料高數十倍。可用來制作大功率超聲激振源，用于工程地質勘探和超聲加工及聲納系統。④機械響應速度快，達10一6s級，且可電控。可用于直線馬達的快速行進，利用這一特性，既可以用作機械功率源如聲發射源，也可以用作力傳感器如聲接收器。⑤磁致伸縮變形的線性范圍大。這有利于磁致伸縮量的準確控制，可用于精密磨床給進和閥門控制,精度可達納米級。⑥頻率特性好、頻帶寬，可以在低頻幾十赫茲下工作，從而可應用于制作水聲換能器。也可用于高頻環境，如超聲加工，超聲診斷等。⑦居里溫度高，可適用于高溫環境。⑧具有Villari效應，即逆磁致伸縮現象。在一定的磁場中，稀土超磁致伸縮材料受力后其磁化強度發生變化，利用這種現象可以制作壓力傳感器。稀土超磁致伸縮材料也存在若干缺點，如由于其電阻率低，會產生渦流損耗導致高頻特性差；抗拉強度低，不能承受較大的拉力。材質硬但較脆易碎，機械加工困難。制造卜藝復雜，成本較高。這些缺點在一定程度上制約了該材料的推廣應用。針對這些問題目前己提出了一些解決方法并付諸實施，如為了控制線圈發熱導致磁致伸縮棒膨脹而影響納米、埃米級超精密定位精度，研制了用在棒與螺線管之間的恒溫水冷卻管，℃，系統位移效率高于90%.對于渦流效應，可采用多層絕緣薄片粘結成棒形，減小渦損，料器件的性能優勢：① 能量轉換能力(位移、力、功率、效率)稀土超磁致伸縮材料的應變和功率高于其他材料。靜場應變飽和值達到1500x10一6～2000xl0一6，在線性范圍內也達l000x10一6，此值為Ni的30倍、壓電陶瓷的3～5倍，在共振頻率下，動態應變比靜態應變還要高數倍，稀土超磁致伸縮材料承受能力大于、等于20MPa，而壓電陶瓷的上限僅4MPa，與此相應，這樣材料的能量密度達14kJ/m3～25kJ/m3，是壓電陶瓷的10～25倍，此外，這種材料的機電耦合系數=～，明顯高于壓電陶瓷和其他材料，且由于換能器磨損小，所以這種超磁致伸縮材料換能器的能量轉換效率也高于傳統換能器。 ② 控性(高速響應和精確定位)稀土超磁致伸縮材料響應速度極高，性能重復性好，換能器結構簡單，消除了常規系統中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滯后，最佳可達納米級，響應僅取決于驅動線圈的勵磁時間，一般小于lms，最快可以達10μm。③ 可靠性(性能穩定，不易發生故障)壓電陶瓷在制造時就加有恒定偏磁場，時效使偏磁場產生一個特久的退化，稱為退極化。即壓電陶瓷的預極化在室溫自然退極化，溫度升高加速其退極化，而且居里溫度(Tc)較低；稀土超磁致伸縮材料不發生疲勞退化，偏磁場不隨時間和溫度改變，Tc較高，工作溫度較寬，壓電陶瓷對工作頻率要求較嚴，而頻率波動對磁致伸縮性能的影響小。一些壓電換能器的工作電壓很高(數千伏)，易出現電擊穿問題，而稀土超磁致伸縮材料換能器在較低電壓(12v～1O0v)下工作，換能器可動件少，磨損小，這也使可靠性提高。④運轉能力(最高速度、最大行程)普通小型驅動器的速度較低和行程較小，但TerfenolD線性馬達可獲得lm/s的極限速度和無限的行程。⑤有利于簡化換能器結構的其他優點頻率響應范圍寬/有智能響應/功率供應簡單。 超磁致伸縮驅動器的基本結構超磁致伸縮驅動器的基本結構如圖31所示,它包括超磁致伸縮棒、直流線圈(或永磁體)、交流線圈、預壓應力機構、輸出機構和外套筒與端蓋等。某些情況下,超磁致伸縮驅動器還包括感裝置、輸出變換機構和熱變形控制機構等,分別于反饋控制、輸出位移放大/縮小和抑制(或補償)超磁致伸縮棒的熱變形；在交流線圈與驅動棒之間填充高效隔熱材料可以減小溫升對超磁致伸縮棒性能的影響； 隔熱材料可選塑料和電工膠布或其他高效輕質材料。圖31 超磁致伸縮驅動器結構示意圖 GMA的工作原理超磁致伸縮驅動器是利用超磁致伸縮棒的軸向線磁致伸縮效應設計制作的,它由交變磁場驅動，驅動磁場由交流線圈產生的交變磁場和永久磁鐵或直流線圈產生的偏置磁場疊加而成，當輸入一定頻率的交流電流時,超磁致伸縮棒在驅動磁場的作用下按某一響應頻率發生相應伸縮變形，可通過控制輸入的電流來控制超磁致伸縮驅動器的輸出力和位移。超磁致伸縮材料的抗拉強度遠比抗壓強度低,須防止它在工作中被拉斷。另一方面,超磁致伸縮棒一般需借助輸出桿對外作功,應保證輸出桿和超磁致伸縮棒的緊密接觸,以實現自動回縮并避免回程中出現松脫,因此設計超磁致伸縮驅動器時必須給超磁致伸縮棒兩端預加一定的壓應力,使它始終處于受壓工作狀態，此外,軸向預壓力可使超磁致伸縮棒內部的磁疇在零磁場強度時盡可能地沿著與軸向垂直的方向排列,一旦施加驅動磁場即可獲得較大的軸向磁致伸縮應變；同時預壓應力對磁機耦合系數和場耦合系數也有影響,適當大小的預壓應力可以大幅提高超磁致伸縮驅動器的能量轉換效率。超磁致伸縮棒在正反向磁場中都是伸長的,因而由交變磁場驅動的超磁致伸縮驅動器輸出的機械運動頻率是輸入電流頻率的2倍,稱為倍頻特性,(又稱極化磁場),既可消除倍頻帶來的非線性影響,又可使超磁致伸縮棒工作在伸縮率最大的線性區,同時使機電耦合系數較高,并可減小超磁致伸縮驅動器響應的不靈敏區域。超磁致伸縮棒在交變磁場作用下會出現明顯的渦流和磁滯損耗,產生熱量,同時線圈的電阻在通過電流時也產生熱量,這都將導致超磁致伸縮棒的溫升和熱變形。超磁致伸縮材料的居里溫度可達30℃以上,但是隨著溫度的升高它的性能會緩慢降低因此最好在驅動器工作過程中使超磁致伸縮棒保持恒定的溫度，熱變形控制裝置通過抑制超磁致伸縮棒的溫升以免它產生熱變形,或通過補償熱變形來消除它對輸出位移的影響。超磁致伸縮驅動器的位移輸出達到m級但有些應用場合要求有更大的行程,而另一些應用場合則要求有很高的位移分辨率，利用相應的微位移變換機構與超磁致伸縮驅動器配套可解決位移匹配的問題，本次設計為了達到更大的輸出位移，就采用了一種新型的位移放大機構，具體介紹在第4章。 GMA總體結構設計應用于特定場合的超磁致伸縮驅動器,通常要在基本結構的基礎上加上一定的輔助功能機構,比如輸出變換機構、熱變形控制機構和傳感裝置等，輔助功能機構的取舍取決于設計要求:⑴如果要求的輸出位移與采用基本結構所獲得的輸出位移不匹配,那么就必須加入適當的位移放大/縮小機構。⑵若控制精度要求高,允許的溫升較小,則須在超磁致伸縮驅動器中引入熱變形控制機構。⑶控制精度要求很高的超磁致伸縮驅動器一般需要進行反饋控制,故應加入相應的傳感器。本次設計只要求滿足位移的匹配，設計的超磁致伸縮執行器輸出位移為65181。m，而系統結構所要求的輸出位移為300μm，所以必須加入一定的位移放大機構才能實現位移的匹配，位移放大機構在下一章會有詳細的介紹和設計。 預壓力的設計GMM抗拉強度低（約28MPa，而抗壓強度可達700Mpa），脆性大，為避免在工作時承受拉應力，應對GMM 棒預先加載一個預壓應力；另外施加預壓力可顯著提高低磁場下的磁致伸縮（圖32）；預壓力裝置有多種形式，如液壓式、氣動式、稧形加力機構和加力螺釘等，預壓力裝置的重要參數包括裝置的剛度常量、可調壓力的范圍等，當然還包括裝置的尺寸、調節的方便性等，一般都希望預壓力裝置的剛度常量越小越好，因為它對GMA 總的有效剛度影響越小，液壓系統和氣動系統的剛度常量都很小，液壓系統還可以提供很大的壓力調節范圍，但是系統復雜，質量大，氣動系統質量可以做的很小，但壓力調節范圍有限。圖32 ℃， 下磁致伸縮率與磁場關系曲線施加預壓應力的方案較多。采用預壓彈簧的方案結構非常簡單,但不能調節預壓應力的大小，采用彈簧加螺母(或螺釘)的方案也很容易實現,并且可方便地調節預壓應力的大小,故此種結構較多被采用。還有一些特殊的預壓方法,比如利用易于獲得并能靈活調節壓力的高壓油、氣源等來對超磁致伸縮棒施加預壓力不失為很好的選擇，本次設計采用的就是彈簧加螺釘的方法，見第2章圖27系統裝配圖所示。由圖32 可知，對GMM 棒沿軸向施加一定大小的預壓應力，在外磁場激勵下，可獲得更大的磁致伸縮。這一現象可以解釋為：預加壓應力使一些原先磁化方向與外磁場方向接近平行的磁疇向與外磁場垂直的方向偏轉，因此GMM 內部那些磁化方向與外磁場垂直的磁疇數目增多了，當施加軸向磁場后，更多的磁疇偏轉，從而可獲得更大的磁致伸縮。但預加壓應力過大，磁致伸縮率會減小，由于預壓應力過大，在同等的磁場強度下，磁疇無法克服壓應力發生偏轉，導致磁致伸縮率減小，當預壓應力增大到GMM 無法伸長時，這時GMM處在機械夾持（固持）狀態，由圖32可得。 GMM棒的設計 材料的選擇GMM 棒的設計包括GMM 材料的選擇、GMM 棒的幾何形狀和尺寸設計。Terfeno1．D是稀土超磁致伸縮材料(GMM)的典型代表，作為一種新型高效磁(電)能一種機械(聲)能轉換材料，相比普通的磁致伸縮材料(如鎳Ni)和壓電材料等其他材料，具有大應變、強力和高功率密度及高精度、快速響應和高可靠性等優點，本次設計GMM 材料選擇目前性價比較高的TerfenolD，GMM棒為圓棒。 幾何尺寸的設計，GMA 的輸出位移等于GMM 棒的伸長量，GMA 的輸出力等于GMM 棒的輸出力減去預加壓力，GMM 棒的最大伸長量與其長度有關，由式(1)可得： （31） 式中:lT GMM 棒長度；ΔlmaxGMM 棒的最大伸長量（飽和伸長量）； Λs飽和磁致伸縮率；xmaxGMA 的設計最大工作位移；δ數學因子，一般設計的線性工作位移為飽和伸長量的一半，取δ = ，若δ取值大，則線性化的難度增大，但將節省材料。GMM棒的橫截面積是由執行器的最大輸出力要求決定,由式(2)得出: （32）式中：Fmin—最大工作位移處的輸出力要求；σ0預壓應力；EyB—楊氏模量；其中=65μm,λs=1100106ppm,δ=,σ0=,EyB=1010Pa,帶入上式得到lT=119mm,取GMM棒的長度為150mm，,取21mm,所以選用150Ф21的超磁致伸縮棒。 激勵線圈的設計線圈為GMM 棒提供所需的磁場，是電－磁轉換的載體，線圈的幾何尺寸是影響磁場強度和電－磁轉換效率的重要因數，也是GMA體積的主要影響因數。 確定線圈的內徑和長度在允許的加工精度內和保證GMM棒在線圈骨架的內孔中順暢地運動，線圈內徑應盡量接近GMM棒的直徑，以減小氣隙，氣隙體積越大，系統的電磁轉換效率越低；線圈的長度應略大于GMM棒的長度（～ 倍），使GMM棒處在較均勻磁場中；，根據 ，確定線圈的內徑為22mm，長度為165mm。 確定線圈的安匝數理想的線圈，不考慮漏磁影響，滿足安培環路定理，當GMM 飽和時的磁場強度約為2000Oe～2500Oe（圖32），考慮漏磁等因素，應使線圈安匝數: （33）式中：GMM 飽和磁致伸縮時的磁場強度；線圈長度；線圈總匝數；通入線圈的電流。參考圖32，綜合考慮選i=15A, lcoil=165mm,Hs=2300Oe ,帶入式（3）中，得到N≥，取線圈的匝數為2199。根據通電電流的最大值，選擇通電導線。設導線為圓徑導線， 參考《電控實用技術手冊》,選用聚氯乙烯屏蔽電線,它適用于AC額定電壓300/300V及以下電器、儀表、電子設備及自動化裝置。根據本文需要。最后，計算激勵線圈的寬度D： (34)式中：N—激勵線圈的匝數；l—激勵線圈的長度；d—激勵線圈的直徑。代入前邊計算的數據，得到激勵線圈的寬度為20mm。 線圈骨架的設計在圖33中，是螺線管線圈內徑，是線圈外徑，是GMM棒的半徑，是線圈圖33 線圈骨架結構示意圖骨架繞線部分的長度。 偏置線圈的設計很多 GMA之所以達不到預定性能指標，都是由于缺乏對磁路的精確設計，磁路設計被認為是GMA設計的眾多因數中最關鍵的設計之一。磁路設計的基本目標是：在GMM棒所在區域，產生所需強度且均勻的磁場，使系統磁回路的磁位降落盡可能多的發生在GMM 棒所在的支路，即盡量減小其它支路的磁阻，應盡量避免GMA工作過程中產生的寄生磁場，如電渦流產生的渦旋磁場等。具體說，磁路設計包括偏置磁場設計、如何減少磁泄漏，提高電－磁轉換效率，改善磁致伸縮棒所處磁場的均勻性等方面。如果GMA工作在振動狀態，輸入的是交變電流，則應設計偏置磁場以消除倍頻現象，一般設計偏磁場為最大伸長量一半處所對應的磁場大小，如圖34中的Hb1。如果GMA作為微位移驅動器用，則偏磁場應盡量小，以避免損失輸出位移量程，這時偏磁場的設計主要考慮將工作行程設計在曲線斜率較大的區域。施加偏置磁場有