基于超磁致伸縮材料發(fā)音頭盔

本文從稀土超磁致伸縮材料的獨(dú)特性能入手,結(jié)合國內(nèi)外一些新的換能器設(shè)計(jì)理念,針對寬頻水聲換能器的使用特點(diǎn),給出了換能器的理論設(shè)計(jì)方法,同時(shí)還給出了其結(jié)構(gòu)形式。測試結(jié)果和使用性能表明,達(dá)到了預(yù)期的目的,這也是該材料在國內(nèi)首次應(yīng)用于單只寬頻水聲換能器中,開創(chuàng)了稀土超磁致伸縮材料應(yīng)用的又一個(gè)先例。

tobearmoreloadsforheavytruckpistons,theshapeofheavytruckpistonpinholeisoftendesignedasnon-cylinderform.currentmethodscannotmeettheneedsforprecisionmachiningonnon-cylinderpistonpinhole(ncpph).anovelmechanismbasedongiantmagnetostrictivematerials(gmm)ispresented.newmodelsareestablishedfortheservomechanism,gmm,andmagnetizingforceofthecontrolsolenoidtocharacterizetherelationshipbetweenthecontrolcurrentofthesolenoidandthedisplacementofthegiantmagnetostrictiveactuator(gma).experimentsshowthatthenovelmechanismcanmeettheneedstoperformfinemachiningonncppheffectively.

稀土超磁致伸縮材料是目前材料領(lǐng)域中研究開發(fā)較活躍、應(yīng)用領(lǐng)域較寬、市場前景較好的稀土功能材料之一。該材料起始于20世紀(jì)60年代,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些稀土元素如鋱(tb)、鏑(dy)在低溫下沿基面的磁致伸縮是傳統(tǒng)的磁致伸縮材料的100-1000倍;70年代初人們獲得室溫下工作的稀土超磁

論述了超磁致伸縮作動(dòng)器的基本原理,根據(jù)三種偏置磁場優(yōu)缺點(diǎn),選用增加單獨(dú)線圈產(chǎn)生偏置磁場。在磁路分析的基礎(chǔ)上,采用有限元仿真的方法,分析了不同參數(shù)和結(jié)構(gòu)對各個(gè)組成部分的磁場影響。

超磁致伸縮材料能量密度高,導(dǎo)熱性相對較好,由其制造的功率超聲換能器能做成很大功率,但因?yàn)榇祟悡Q能器總處在高強(qiáng)度高頻率磁場中工作,各種損耗很嚴(yán)重,帶來的熱量非常大,而超磁致伸縮材料對外界溫度又很敏感,故熱分析是該類換能器設(shè)計(jì)的重要方面。該文設(shè)計(jì)了換能器及其冷卻系統(tǒng),以考慮渦流損失和附加損失的jile-atherton模型為基礎(chǔ),提取了模型參數(shù),計(jì)算得到了換能器的損耗總量;用有限元方法計(jì)算了冷卻水流場分布和換能器溫度場分布;對樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果吻合良好。

介紹了超磁致伸縮材料的性能特點(diǎn)和利用國產(chǎn)超磁致伸縮材料研制的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,及噴嘴擋板閥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,建立了數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建了基于超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥的控制壓力測試系統(tǒng),試驗(yàn)研究超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥的控制壓力特性,得出了最佳控制壓力時(shí)不同參數(shù)間的匹配關(guān)系。結(jié)果表明,基于超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥,具有較寬的控制壓力特性,良好的線性度,較快的響應(yīng)速度,為進(jìn)一步將其應(yīng)用于兩級電液伺服閥提供了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)依據(jù)。

利用超磁致伸縮致動(dòng)器(giantmagnetostrictiveactuator,gma)應(yīng)變率大、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)和脈沖噴射裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于gma的脈沖噴射開關(guān)閥,分別分析gma和脈沖噴射開關(guān)閥本體在動(dòng)態(tài)工作條件下的系統(tǒng)傳遞函數(shù),綜合分析后建立閥的流量、噴射速度與驅(qū)動(dòng)電流之間的系統(tǒng)方框圖和傳遞函數(shù)。simulink的開關(guān)閥動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果顯示,基于gma的脈沖噴射開關(guān)閥的工作頻帶寬度大于400hz,可滿足大部分噴射裝置的工作要求。gma位移掃頻試驗(yàn)結(jié)果表明,該模型在低頻范圍內(nèi)可正確反映開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性,高頻范圍內(nèi)需考慮溫度和磁滯的影響。

本文提出了用超磁致伸縮材料與壓曲放大機(jī)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成微位移驅(qū)動(dòng)器的方法,建立了超磁致伸縮執(zhí)行器的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。文中對所建立的系統(tǒng)進(jìn)行了相頻和幅頻特性的理論分析和實(shí)驗(yàn),合理地解釋了此系統(tǒng)的遲滯曲線隨輸入信號頻率變化的原因。為了進(jìn)行遲滯非線性補(bǔ)償,提出了相位補(bǔ)償與遲滯逆模型相結(jié)合來補(bǔ)償遲滯特性的控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)理論模型的準(zhǔn)確性和補(bǔ)償控制方法的有效性。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈和terfenol-d的形狀尺寸,改善以超磁致伸縮材料terfenol-d為主動(dòng)材料的高速開關(guān)閥的性能.選擇合適的漆包線線徑以降低線圈電阻;優(yōu)化線圈形狀函數(shù)以提高線圈的磁場生成能力;改善terfenol-d的尺寸來降低磁通路徑的磁阻,減小渦流損耗,提高致動(dòng)器的磁場利用率;兼顧提高致動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)換效率,提出優(yōu)化設(shè)計(jì)超磁致伸縮致動(dòng)器的規(guī)律.兩個(gè)致動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性.

針對空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變控制,以超磁致伸縮材料為核心元件,充分利用其輸出力大、響應(yīng)速度快、可靠性高、驅(qū)動(dòng)電壓低等磁控特性,設(shè)計(jì)出一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的磁致伸縮作動(dòng)器,并分析其工作原理和設(shè)計(jì)方法,然后通過試驗(yàn)對其進(jìn)行輸出性能測試。

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器具有輸出振幅過小導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率不高的問題,針對此問題提出了諧振式超磁致伸縮音頻驅(qū)動(dòng)器的理念,利用音叉的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器振幅的放大,同時(shí)利用音叉的頻響曲線去修正超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的頻響曲線,以提升揚(yáng)聲器響度。研究了音叉的選擇,及其中超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的具體設(shè)計(jì)過程,并在專業(yè)消音室對諧振式超磁致伸縮音頻驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了性能測試,測試結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)器改進(jìn)后超磁致伸縮揚(yáng)聲器在音響上有顯著提升。

針對超磁致伸縮伺服閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究了其參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律,建立了超磁致伸縮伺服閥集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)仿真模型。通過仿真研究得出了該伺服閥主要設(shè)計(jì)參數(shù)對其動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律及其穩(wěn)定性特點(diǎn),通過對主要設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化表明,在-8db幅值穩(wěn)定裕量下超磁致伸縮伺服閥幅頻寬可以達(dá)到近700hz。

超磁致伸縮換能器工作的同時(shí)受到機(jī)械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。本文討論了超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

超磁致伸縮換能器工作時(shí)同時(shí)受機(jī)械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。討論超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

介紹了一種新型電動(dòng)機(jī)超磁致伸縮諧波電動(dòng)機(jī),它是根據(jù)諧波傳動(dòng)和超磁致伸縮材料電磁效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的。根據(jù)所設(shè)計(jì)的由四相超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的超磁致伸縮波發(fā)生器,通過分析其工作原理,提出了相應(yīng)的控制方案,并設(shè)計(jì)了可快速響應(yīng)的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理圖。簡要敘述了使電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向、精確定位等各項(xiàng)功能的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。

用超磁致伸縮材料做成的換能器具有輸出力大、響應(yīng)速度快的特點(diǎn),這就要求其驅(qū)動(dòng)電源瞬間能輸出較大的電流以形成強(qiáng)磁場。由于該換能器是處于間歇工作狀態(tài),利用電容的儲能原理制成的驅(qū)動(dòng)電源能滿足要求,其關(guān)鍵的難點(diǎn)是儲能電容的容量要與換能器線圈的參數(shù)相匹配,才能得到良好的效果?？捎胢atlab軟件,通過計(jì)算機(jī)輔助分析的方法確定儲能電容的參數(shù)值。儲能電容的充放電轉(zhuǎn)換開關(guān)可用繼電器或場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明,該電源可用小型的充電電池供電,并具有連續(xù)工作時(shí)間長,工作可靠,瞬間輸出功率大,體積小、重量輕的特點(diǎn),特別適合野外使用。

稀土超磁致伸縮換能器是一種新型的可控震源。本論文針對稀土超磁致伸縮換能器并結(jié)合淺層地震勘探的特點(diǎn),研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器由計(jì)算機(jī)pci總線fpga信號發(fā)射卡、igbt驅(qū)動(dòng)器、igbt逆變器及電源組成。由該驅(qū)動(dòng)器和稀土超磁致伸縮換能器組成震源系統(tǒng),將其應(yīng)用于淺層地震勘探模型試驗(yàn)中,取得了良好的效果。

利用超磁致伸縮材料的壓磁效應(yīng)開展新型非接觸式扭矩測量方法的設(shè)計(jì)研究,為最終實(shí)現(xiàn)一種對被測軸系基本沒有改動(dòng)、只需貼附一層敏感材料的非接觸式扭矩測量方法建立先期研究基礎(chǔ),進(jìn)而為航空器動(dòng)力軸輸出扭矩的實(shí)時(shí)、在線測量提供一種有效手段。

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)快、輸出應(yīng)變大、機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),但因受超磁致伸縮材料內(nèi)在的磁滯效應(yīng)與磁-機(jī)耦合效應(yīng)等因素影響,導(dǎo)致其輸出位移存在較大滯環(huán),大大降低了驅(qū)動(dòng)器的輸出位移精度,也影響了該材料及其致動(dòng)器更廣泛的應(yīng)用。為了有效地設(shè)計(jì)和使用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器,需要建立準(zhǔn)確描述其磁滯非線性的數(shù)學(xué)模型。在經(jīng)典preisach模型的基礎(chǔ)上建立了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的preisach磁滯數(shù)值模型,并通過對preisach限制三角形的離散劃分,依賴大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識了該模型的參數(shù),并進(jìn)行了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁滯輸出實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該preisach磁滯模型能較好地描述準(zhǔn)靜態(tài)下超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的磁滯現(xiàn)象,對指導(dǎo)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器位移精度的提高具有一定意義。

為了提高稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電源的效率以及實(shí)用性,采用dsp器件tms320f2812作為主控芯片,結(jié)合混合脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)spwm波形。采用半橋型逆變電路實(shí)現(xiàn)spwm的功率放大,并對隔離驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路和濾波匹配電路進(jìn)行合理而有效的設(shè)計(jì),保證了換能器的輸出效能。同時(shí)使用電流控制頻率的方法實(shí)現(xiàn)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。實(shí)驗(yàn)證明,該驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率穩(wěn)定,波形失真度低,且能量轉(zhuǎn)換效率較高。

概述超磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及動(dòng)態(tài)特性的建模方法,并結(jié)合自行研制的換能器建立起仿真模型,有利于指導(dǎo)換能器的設(shè)計(jì)研究。

對超磁致伸縮致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如驅(qū)動(dòng)磁場、偏置磁場、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、水冷機(jī)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì),利用致動(dòng)器加工實(shí)物,完成致動(dòng)器的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn),獲得不同預(yù)壓力和驅(qū)動(dòng)磁場強(qiáng)度下的致動(dòng)器輸出位移曲線,并得到了最優(yōu)參數(shù)。