超磁致伸缩材料的伸缩特性及其磁感应强度控制原理及方法的实现Word下载.docx
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1 引言
铁磁材料在磁场中磁化时,会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短,这一现象称为磁致伸缩现象。
早在1840年,Joule就发现了镍(Ni的磁致伸缩现象。
由于其应变量小(10-5~10-6,长期
教育部高校博士点专项基金资助项目(2000014109。
以来主要用于制造超声波振子。
1972年,Clark等首先发现Laves相稀土—铁化合物RFe2(R代表稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Sm、Tm等的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的100多倍,这种材料被称为超磁致伸缩材料。
超磁致伸缩材料具有伸缩应变大(λ=800~1600×
10-6,
杨 兴 男,1974年生,大连理工大学机械工程学院在读博士生,主要从事纳米技术,超精密加工及机电一体化方面的研究工作,1997年以来共发表论文10余篇。
贾振元 男,1963年生,大连理工大学机械工程学院副院长,
工学博士,教授,博士生导师,主要从事功能材料应用、机电一体化、快速成型等方向的研究工作,发表论文40余篇。
56电工技术学报2001年10月
机电耦合系数高(≈0173,响应速度快(达μs级,输出力大等特点,因此,它的出现为新型执行器的研制与开发又提供了一种行之有效的方法,并引起了国际的极大关注[1,2]。
目前,普遍采用驱动电流来对超磁致伸缩材料建模和驱动控制,但超磁致伸缩材料属于铁磁性功能材料,它的驱动电流(磁场强度与磁感应强度存在着滞回特性和非线性,这必然造成这种驱动控制方法的滞回和非线性较大、重复性差、较低。
因此,[3]和非线性,。
而国内还未见这方面研究的报道。
为此,本文分析了磁致伸缩现象的唯象机理,建立了超磁致伸缩材料的控制模型,提出采用磁感应强度作为控制量的原理并给出其在执行器中的具体实现方法,取得了较为理想的实验结果。
如图1,当超磁致伸缩材料在均匀磁化场H0
中被均匀磁化,在其两端产生正
、负磁荷的面密度
σ为±
′,设磁化场的等效磁荷面密度为σ0,则超磁致伸缩材料内部的合磁场H与磁化场H0和退磁场H′=σ′/μ0σ(1H0-μ0
图1 超磁致伸缩材料的等效模型
Fig11 TheequivalentmodelofGMM
2 磁致伸缩现象的唯象机理和超磁致伸缩
材料的控制模型
磁致伸缩是相当复杂的现象,是满足自由能极
小条件的必然结果。
如果从磁畴唯象理论来分析,磁致伸缩现象是铁磁体内部的磁畴在外磁场的作用下磁畴间的边界发生移动和磁畴内的磁矩发生旋转的宏观结果。
而介质中的内应力和晶格之间的摩擦是造成滞回和非线性的主要原因。
同时,由电磁学可知:
无论是电流强度还是磁场强度(H=n・I,都不能直接反映磁介质在磁场中磁学与力学之间的联系,这也是铁磁性介质的磁致伸缩与磁场强度之间不是单值函数的一个重要原因。
因此,在建立超磁致伸缩材料的控制模型时,应选用与磁介质的磁化状态存在直接联系的变量作为控制量,才能建立与磁致伸缩量一一对应的关系[4]。
由电磁学可知:
磁极化强度矢量J直接反映了磁介质在磁场中磁学与力学之间的联系。
下面采用磁介质磁化的磁荷观点分析超磁致伸缩材料的磁致伸缩变形量与磁极化强度之间的关系。
首先作两点假设:
(1超磁致伸缩材料与其驱动线圈等效为带铁心的电感,内部磁场强度是均匀的;
(2超磁致伸缩材料在宏观上近似等效为一弹性体,满足虎克定律。
由假设(1及磁场中的高斯定理可知
σH=
μ
由式(1和式(2得
H0=
μ0μ-μ0
(2
(3
设超磁致伸缩材料端面的面积为S,则其在磁场中可等效为一个大磁偶极子,受力为
(4F=σ′・S・H0
同时,由假设(2和虎克定律
ΔLF=K・
(5
式中 K———超磁致伸缩材料的弹性系数
ΔL———超磁致伸缩材料在外磁场作用下的伸
长量
由式(4和式(5可得
σ′・S・HΔL=(6
K
由磁场中的高斯定理可得出超磁致伸缩材料的
磁极化强度与端面磁荷间的普遍关系式
σθ(7
′=Jn=J・n=Jcos式中 n———超磁致伸缩材料表面的单位外法线矢量θ———J与n之间的夹角Jn———J在n上的投影从图1中可知:
超磁致伸缩材料的磁极化强度方向与其外法线方向相同,因此,式(7可化简
第16卷第5期杨 兴等 超磁致伸缩材料的伸缩特性及其磁感应强度控制原理及方法的实现57
为
σ(8′=J
由式(3、式(6和式(8可得
2
ΔL=(9・J
μ0μ-μ0K・
又μ-μ0在一定范围内可用μ来近似代替,则:
ΔL≈
2・Jμ0K・
此霍尔片所测得的磁感应强度近似等于超磁致伸缩
棒内的磁感应强度。
图3是根据上述原理研制的磁场控制型超磁致伸缩微位移执行器的结构原理简图。
由图可知:
超、负方向可。
执行器,以便对超磁致伸缩材料的。
微位移传递机构采用了圆形,并且通过调整预紧螺钉的位置可方便地调整超磁致伸缩棒的预压缩力。
(10
由上式可知:
能材料,其磁导率μ并,控制方法,μ影响较小,且与磁极化强度J基本上是一一对应的关系,因此控制精度可明显提高。
3 基于磁场的控制方法的原理及实现
从工程应用角度讲,直接监测超磁致伸缩材料的磁极化强度是比较困难的,考虑到铁磁质中的磁极化强度比磁场强度大得多[4],则
B=μ0H
+J≈J式(10可变为
・B2
μ0K・
(11
图3 超磁致伸缩微位移执行器结构原型简图
11霍尔传感器 21线圈 31线圈骨架 41外套 51出水管61弹性变形体 71位移输出轴 81上导向块 91上导磁体101超磁致伸缩棒 111冷却水箱 121永久磁铁 131下导
因此在实际应用中,可采用测量超磁致伸缩材
料的磁感应强度来近似替代测量磁极化强度,对超磁致伸缩材料的伸长量进行控制。
图2是测量超磁致伸缩棒内的磁感应强度的原理。
在导磁体与超磁致伸缩棒接触的截面上开了一个很小的气隙,以便将霍尔片贴在超磁致伸缩棒的表面。
根据磁场中的高斯定理:
超磁致伸缩棒与气隙边界两侧的磁感应强度的法线分量是连续的,因
向块 141进水管 151下导磁体 161预紧螺钉 171底盖
Fig13 Theskeletondrawingofthegiant
magnetostrictiveactuator
在执行器中,上、下导磁体、导向块、永久磁铁和超磁致伸缩棒构成闭合磁路从而降低了漏磁,并且不会与外部的仪器和设备相互干扰。
为减小由于线圈的温升所造成的超磁致伸缩棒的热伸长
线圈的结构进行了优化,同时设计了通入恒温水的水箱[5,6]。
4 实验结果与分析
为了测试所研制的磁场控制型超磁致伸缩微位移执行器的性能,我们分别采用电流强度(因为磁
图
2 超磁致伸缩棒内磁感应强度测量原理简图Fig12 Theprincipleofmeasuringthemagneticinduction
ingiantmagnetostrictiverod
场强度与电流强度成正比:
H=n・I,所以可用电流强度来代替磁场强度和磁感应强度作为控制量做了如下的对比实验:
将其置于隔振平台上,通入
58电工技术学报2001年10月
恒温水使其内部达到热平衡状态后,通入电流对执行器训练数次。
此时,通入-3~+3A连续变化的电流,采用高精度电感测微仪(德国制造,型号
μm测出执行器的输出位移,1202D,分辨率011
并通过执行器内的霍尔传感器测出相应的磁感应强度。
图4和图5
分别是采用电流强度和磁感应强度
作为控制量的超磁致伸缩执行器的输出位移曲线。
高、重复性好。
这与前面的理论分析结果基本上是一致的。
因此,采用磁感应强度作为控制量,可提高超磁致伸缩微位移执行器的性能指标。
5 结论
可得出以下:
因此采(作为控制量的执行器的,且滞回特性较严重;
而,虽然输出位移曲线的线性段小一些,但它的滞回和非线性小、控制精度高、重复性好。
并且,在对超磁致伸缩执行器进行研究时,选择磁感应强度作为控制量,可抓住磁致伸缩现象的本质,得出深层次的结论,以更好地发挥超磁致伸缩材料优异的性能。
参考文献
图4 电流强度与位移曲线
Fig14 Currentintensityvs.displacementcurve
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FerromagneticMaterials,North-HollandAmsterdam,1980∶531~589
2 贾振元,杨兴,武丹等.超磁致伸缩执行器及其在流体
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magnetostrictivemini-actuators.SmartMater.Struct.1994(3∶83~91
图5
磁感应强度与位移曲线
Fig15 Magneticinductionvs.displacementcurve
从图中可以看出:
磁感应强度与执行器的输出
位移曲线的线性段虽然比电流强度与位移曲线的线性段小一些,但它的滞回和非线性小、控制精度(上接第85页
收稿日期 2001-04-29
3 Byeong-KapChoi,Chong-HoChoi,HyukLim.Model
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法。
仿真结果表明,本文采用的设计方法所得到的控制系统性能良好。
1 郭庆鼎,王成元等.直线交流伺服系统的精密控制.北
计:
[硕士学位论文].沈阳∶沈阳工业大学,1999.
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京∶机械工业出版社,2000.
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社,1994.
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- 超磁致 伸缩 材料 特性 及其 感应 强度 控制 原理 方法 实现
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