基于gmm新型线控制动控制系统设计(编辑修改稿)

基于gmm新型线控制动控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

马达中的应用 F． Claeyssen 利用 Terfeno1D棒 成功 研制 出 一种尺蠖式马达。 当 马达 线圈中通人电流并且位置发生变化时 ， 会出现的现象是 超磁致伸缩棒 会产生 交替伸缩 现象 ，从而像虫子一样蠕动前进。 美国 的研究者 J． 等利用 GMM 的 蠕动原理， 设计出 转动式步进电机。 3， 在振动控制领域中的研究 日本的 研究者 K、 O h mate K 设计了三连杆臂型半主动振动控制装置 ， 这种装置可减缓由 地震 、 强风等产生的振动。 美国 的研究者 M、 A njanappa 等 第一次计算 出 超磁致伸缩致动器基本数学模型 ，其是在 考虑热效应的 条件下得出 ,这一成果的出现是他们在原有基础上进行改进。 4， 在流体机械 领域 中的应用 第二章 基于 GMM 新型线控制动系统执行机构设计 8 目前 ，各种阀门、燃油喷射系统和微型泵都用到 超磁致伸缩 磁电 — 机械换能器。 日本用 TerfenolD制成了微型隔膜泵 ， 瑞典 AB 公司用 TerfenolD为驱动元件设计了流体泵。 英国 San Te chnology 公司的 研究员 A、 D、 Bushko， 和 J、 H, Goldie 用 TerfenolD棒制成了微型高压隔膜泵。 GMM 国内研究现状 我国在 GMM 运用领域的研究起步时间较晚于西方国家。 2 0 世纪 8 0 代中期 ， 北京钢铁研究总院 对 稀土超磁致伸缩材料进行研究 是国内第一家。 此后 ， 国内其它单 也在这一领域研究 ，主要包括 中科院沈阳金属研究所、 中 国 科 学 院北京物理研究所 、 冶金部包头稀土研究院、 兰州天星公司。 在一些高校中也进行相关的研究例如 浙江大学、大连理工大学、北京科技大学等。 七 一五研究所在多边形水声换能器方面进行了的研究。 中 国 科 学院声学研究所 和冶金部钢铁研究总院 使用国产超磁致伸缩材料 制 做 出 了 功率 较 大 ， 频率 较 低的 声纳。 甘肃天星稀土功能材料有限公司研制 出磁致 伸缩 系数较大的材料 ， 并利用此材料制作出智能振动实效装置设备 [11]。 2020 年， 大连理工大学的 杨兴、贾振元 研究 超磁致伸缩微位移执行器，这种执行器 具有 感知 位移 功能 [12]。 2020 年，浙江大学唐志峰在超磁致伸缩执行器的 基础理论 方面 进 行 论述与实验研究 [13]。 清华大学的李翠红等设计了一种蠕动机构 ，是 利用超磁致伸缩微驱动器[14]。 2020 年 ， 杭州电子科技大学的孟爱华等 在脉冲喷射开关阀进行研究，其动 力源是超磁致伸缩执行器 [15]。 GMM 棒的选取 磁致伸缩的 原理 磁致伸缩是铁磁材料在 外加磁场被磁化时 产生晶格变形的宏观表现 ,。 铁磁质在量子交换力的作用下发生自发磁化 ,内部形成一个个小的“自发磁化区” ,称为 磁畴。 每个磁畴内均存在磁矩 , 磁矩 的取向一般为所有“最易磁化方向”中的某一个； 在未被极化时 ,铁磁质中各磁畴内的自发磁化方向不同 ,其统计平均磁矩值为零 ,因而在宏观上不呈现磁性[16]。 它的形成原因如下图所示： 南昌工程学院本科毕业设计 9 图 21 不同磁场下磁矩变化情况 (H:平均磁化磁场强度。 Hs:外磁 场强度 ) 当存在外加磁场时 ,各个磁畴的磁化强度方向 将 发生改变。 首先是磁畴间的边界发生移动 ， 当外磁场 强度加大时 ,磁畴内的磁矩逐渐旋转到与外磁场 方向一致。 如果 外磁场 强度继续加大 ,铁磁质内的磁化强度也 基本上不再增加。 外磁场 存在 时 ,大量磁畴的磁化方向和 外磁场方向 趋同 ,同时 晶格 会发生 变形 ,宏观上即表现为磁致伸缩现象。 压力和磁场对磁致伸缩的影响 GMM 的主要 参数有 : 弹性模量 E、 磁致伸缩系数  、 磁导率  、动态磁致伸 缩系数 d、逆动态磁致伸缩系数 39。 d 和机电耦 合系数 k等 [17]。 GMM 内部磁能与机械能 (弹性能 )相互转换的效率 用系数 k用来衡量 ,它们分别由下述各式给 出： ll/ （ 21） const   （ 22） constd  （ 23） congst （ 24） constd  , （ 25） 式中 , △ l:长度改变量。 l:原始长度。  :应力。 H:磁场强度。 B:磁感应强度。 图 22是 磁致伸缩系数  随驱动磁场强度 H在 不同压应力下 TerfenolD的轴向 变化曲线。 在图中可得出 :当预压应力 大小 处于 714MPa 范围内 , H 曲线族都有较大的线性第二章 基于 GMM 新型线控制动系统执行机构设计 10 区。 图 22 不同压应力下λ —— H曲线 超磁致伸缩致 动器静态模型 超磁致伸缩致 动 器的静态模型主要包括 两部分： 静态位移输 出特性和力输出特性 [18]。 超磁致伸缩致动器的 力输出特性、 静态位移 输出特性 与致动器 结构尺寸、 GMM 特性参数 、内应力状态、 励磁电流等直接相关。 超磁致伸缩致动器的位移输出特性是指 致动器 输入 的 电流与 输出 的 位移 的 关系， 当边界条件和自变量 不同 时 ,磁致伸缩本构方程 将会 存在 不同的形式 ,由于 此次设计的 致动器利用的是 GMM 棒的轴向磁致伸缩效应 ,因此只需考虑其轴 向磁致伸缩本构方程 [19]。 则 GMM棒 轴向的磁致伸缩本构方程为 ： Tds    333333333 （ 26）  3333333  d （ 27） 式中 s33 ：磁场 恒定时的纵向柔度系数 ； 3 ：轴向应变； d33 ： 轴向动态磁致伸缩系数 ； 3 ： 轴向应力 ； 33 ： 热膨胀系数 ； 南昌工程学院本科毕业设计 11 3 ： 平均驱动磁场强度 ； 33 ： 压应力恒定时的磁导率 ； 3 ： 磁感应强度 ； ：温升； 据磁通连续性原理有 下公式 :   321 （ 28） 由安培环路定律 可得出 : F = llll ii 332211     （ 29） 在一段不分支的磁路中 ,如果 处材料相同、横截面积相等 ,则磁感应强度 也 处处相等 [20]。 于是由磁通和磁阻的定义 得出 : Rllu ll iiuuuiiiiiiiiiii    （ 210） 结合上式： 将主励磁线圈的总安匝数 NI 代入式 (210)即可算出其激励场强 : )/()( 3 133   i Mia c tua c tu R （ 211） 总的平均驱动磁场强度 是 主激励磁场强度 和偏置场强 度 的叠加 得出以下等式 :    b ia si Mia c tub ia sa c tu R )/()( 3 1333  （ 212） 将求得的 相应的超磁致伸缩材料特性参数 和平均驱动磁场强度 代入式 (21)可得驱动棒的轴向应 变 3 :     333 133333333 ])/()[( b ia si Mia c tu Rds NI （ 213） 于是 可得出超磁致伸缩致动器的静态输入电流与 输出位移关系式。 第二章 基于 GMM 新型线控制动系统执行机构设计 12 }])/()[({ 333 133333333    b ia si mia c tu Rdsll （ 214） 由式 (214)可得到驱动棒内的应力 : SRAd Hb ia si Mia c tuNIll 333 133333333 /]})/()[(/{    （ 215） 于是 ,超磁致伸缩致动器的输出力 f为 : ]})/()[({ 3 1333333333333   b ia si Mia c tuH RS ANIdTllAAf  （ 216） 由上式可以看出 :输出力 f的大小 与稀土超磁致伸缩棒的应变 大小 有关。 当△ l为 0时 ,其可能输出最大力 为 : ]})/()[({ 3 13333333m a x HR b ia si Mia c tuH ANIdSAf   （ 217） 上式得出的结果是 超磁致伸缩致动器的输出力与输入电流间的静态关系。 计算稀土超磁致伸缩棒的尺寸 对于中、低频致动器 ,超磁致伸缩棒的伸长量 等于其设计 的 最大输出位移。 则超磁致伸缩棒的计度 : jjjj xll  m ax （ 218） 将 j 根据所选超磁致伸缩棒的尺寸规格进行取整 整即得 ， 设计长度所选的 jl 应大于等于 j。 超磁致伸缩棒的直径 dGMM 与 最大输出力 FMAX 满足 以下关系 : 4 )(2d G M MYJm sx EF   （ 219） 式中 ,E为超磁致伸缩棒的弹性模量。 因为 目前国内尚没有统一 稀土超磁致伸缩材料的尺寸规格标准 ,所以各生产单位通常 根据用户要求进行各种尺寸的加工 [21]。 国内 GMM 产品主要性能指标 (磁致伸缩系数、磁机耦合系数 )均接近国外产品，而价格仅是国外公司的 2030%， 所以 选择国内 GMM 产品更符合技术经济性原则。 下表是各公司生产的 GMM 材料参数。 南昌工程学院本科毕业设计 13 表 21 各公司 GMM参数 参数 甘肃天星 台州椒光 有研稀土 磁致伸缩率（ 106） ≥ 1 000 (80kOe,10MPa) 800～ 1 200 (,10MPa) 1 500 (3kOe,10MPa) 杨氏模量 1010N/m2 ～ 抗拉强度 MPa ≥ 25 ≥ 25 抗压强度 MPa ≥ 260 ≥ 250 热膨胀系数 106/℃ 8 ～ 12 8～ 12 居里温度℃ 380 380 380 磁机耦合系数 ～ ～ ～ 声速 m/s 1 700 ～ 2 600 1 700～ 2 700 1 600～ 2 500 能量密度 kJ/m3 14 ～ 25 14～ 25 电阻率 108Ω .m (60 ～ 130) 60 60～ 140 相对磁导率 3 ～ 15 40～ 100 3～ 15 比热 kJ/ 作品选用甘肃天星稀土功能材料有限公司提供的 GMM 棒，几何参数为φ 20 50mm。 H 型柔顺机构 的 介绍 设计使用的力传递装置是 H型柔顺机构，机构的一端装有 GMM 棒，另一端装有制动片，当 GMM 棒受磁场影响尺寸发生变化时，会由 GMM 棒轴向产生力。 此力沿着 H 型机构传递到制动片，在装有 GMM 棒的一端也装 有一个回复弹簧。 它的作用是： GMM 棒尺寸变小时， 以产生一回复里使 H 型机构恢复原状。 因为此机构要具有柔顺，因此制 作此机构的材料是钢。 经过进一步查阅相关资料和计算，此机构尺寸比是 1:3，也即 GMM 棒中点与铰接点的距离和制动片中点与铰接点距离比为 1:3，这种设计可使位移放 大 3倍。 磁感线圈 的设计 确定线圈的长度和内 、外径 根据 H型柔顺机构与线圈骨架，线圈长度为 39mm。 线圈的内半径 R为 : 第二章 基于 GMM 新型线控制动系统执行机构设计 14 gji edR  21 （ 220） GMM 棒的半径为 10mm，考虑到线圈骨架的影响， 线圈内径为 线圈的外半径 R为 : iveeRR  12 （ 221） 经计算线圈外径为 38mm 上述两式中 ,egj :线圈骨架厚度。 eiv :绝缘材料厚度 计算 线圈导线直径 实际工作中，。