CN103607134A - 超磁致伸缩致动器的优化与设计 - Google Patents
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Abstract
本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计,设计了超磁致伸缩致动器(GMA),对线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线。通过实验,结果表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。本发明的GMA不仅动态工作特性良好,具有较高的可重复性,而且可以对其进行实时动态控制,具有较高的通用性和工程实用价值。
Description
技术领域
本发明的技术方案设计了超磁致伸缩致动器(GMA),具体地说是对其线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并对其静、动态工作特性进行了实验测试。
背景技术
铁磁材料因外磁场作用而磁化时,其长度及体积均发生变化的现象称为磁致伸缩效应。1974年,一些科研人员发现三元稀土合金Tb1-xDyxFe2在时磁致伸缩率达到峰值,因该合金在常温下具有很高的磁致伸缩应变,故被称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictive Material,GMM),材料具有响应快、应变大、输出力大等优异性能,在主动隔振、精密加工、流体控制等领域具有深远的应用前景。超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)是以GMM为核心的基本机械能输出器件。
在GMA中,GMM产生磁致伸缩应变的能量全部来自于线圈的励磁磁场,励磁线圈的电磁转换特性成为评价GMM器件好坏的重要指标,励磁线圈的体积也是影响GMM器件整体尺寸的主要因素,同时励磁线圈能耗所转化成的热量也是GMM器件发热的重要来源之一,但线圈的材料参数、结构参数等多种因素共同影响着磁场强度的分布,所以线圈设计一直是超磁致伸缩器件设计的重点和难点,具有重要的理论意义与实际应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:通过对超磁致伸缩致动器(GMA)的线圈尺寸及绕线进行优化设计,达到较好的静、动态工作特性,具有较高的通用性和工程实用价值。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:超磁致伸缩致动器的优化与设计,设计了超磁致伸缩致动器(GMA),对线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线。通过实验,结果表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。
上述超磁致伸缩致动器的优化与设计,所述的励磁线圈及线圈骨架的结构,如附图2所示。线圈骨架采用厚度为2mm厚的铝材制作,线圈的主要尺寸参数有漆包线的线径dw、线圈的内径Rc1、线圈外径Rc2以及线圈长Lc。由于GMM棒和线圈骨架的限制,Rc1=15mm。
上述超磁致伸缩致动器的优化与设计,所述的线圈尺寸优化设计:首先,若绕线厚度较小,可假设线圈为单层缠绕的螺线管,其半径为Rcx、匝数为Nx、通入电流为Ix,那么轴线上距螺线管中心为x处产生磁场强度为:
实践表明,螺线管轴线中心处磁场强度最大,即当x=0时:
那么就有:
其中,
公式(3)可以表示了不同的线圈长度和直径对产生磁场的均匀度的影响。
上述超磁致伸缩致动器的优化与设计,所述的线圈绕线优化设计:由于线圈的功耗与缠制线圈所用漆包线的阻抗直接相关,线圈中通入交变电流后的阻抗表达式为:
公式(4)中各参数取值,如表1所示。
表1 式(4)中参数
公式(4)中,线圈匝数N的计算公式为:
线圈产生磁场强度的基本公式可变形为:
当线圈中通入电流时,线圈的能耗为:P=I2Z
上述超磁致伸缩致动器的优化与设计,所述的对GMA进行工作特性测量,包括:(1)静态驱动实验,通入线圈的电流范围为(0~4)A,每隔0.4A记录一次位移输出量。当输入电流在(0.4~2.5)A的范围内GMA位移输出量与电流基本呈线性关系,该电流范围与线圈设计的工作电流一致,证明了线圈优化设计的正确性。(2)动态测试,功率放大器输出的电流信号为,频率f=200Hz。每个激励周期下致动器的输出位移曲线基本相同,故致动器具有较好的可重复性,可以对其进行实时的动态控制。但由于交变磁场作用下GMM棒内部容易产生涡流损耗,致动器在200Hz驱动时输出位移明显小于静态输出位移。
本发明的有益效果是:①动态工作特性良好,具有较高的可重复性;②可以对其进行实时动态控制,具有较高的通用性和工程实用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的流程示意框图。
图2为本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的线圈结构示意图。
具体实施方式
图1所示实施例表明,本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的流程是:在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线。通过实验,结果表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。
图2所示实施例表明,本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的线圈结构示意图:线圈骨架采用厚度为2mm厚的铝材制作,线圈的主要尺寸参数有漆包线的线径dw、线圈的内径Rc1、线圈外径Rc2以及线圈长Lc。由于GMM棒和线圈骨架的限制,Rc1=15mm。
Claims (3)
1.超磁致伸缩致动器的优化与设计,其特征在于:设计了超磁致伸缩致动器(GMA),对线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性;在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式;研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线;通过实验,结果表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器的优化与设计,其特征还在于,所述的励磁线圈及线圈骨架的结构,线圈骨架采用厚度为2mm厚的铝材制作,线圈的主要尺寸参数有漆包线的线径dw、线圈的内径Rc1、线圈外径Rc2以及线圈长Lc;由于GMM棒和线圈骨架的限制,Rc1=15mm。
3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器的优化与设计,其特征还在于,所述的对GMA进行工作特性测量,包括:(1)静态驱动实验,通入线圈的电流范围为(0~4)A,每隔0.4A记录一次位移输出量;当输入电流在(0.4~2.5)A的范围内GMA位移输出量与电流基本呈线性关系,该电流范围与线圈设计的工作电流一致,证明了线圈优化设计的正确性;(2)动态测试,功率放大器输出的电流信号为,频率f=200Hz;每个激励周期下致动器的输出位移曲线基本相同,故致动器具有较好的可重复性,可以对其进行实时的动态控制;但由于交变磁场作用下GMM棒内部容易产生涡流损耗,致动器在200Hz驱动时输出位移明显小于静态输出位移。
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CN104184361A (zh) * | 2014-09-15 | 2014-12-03 | 河北工业大学 | 基于超磁致伸缩材料的微位移驱动***设计 |
CN104215661A (zh) * | 2014-09-02 | 2014-12-17 | 兰州大学 | 基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置 |
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2013
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CN104215661B (zh) * | 2014-09-02 | 2017-02-22 | 兰州大学 | 基于超磁致伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置 |
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