超磁致伸缩致动器的脉冲喷射开关阀建模与仿真

通过优化设计驱动线圈和terfenol-d的形状尺寸,改善以超磁致伸缩材料terfenol-d为主动材料的高速开关阀的性能.选择合适的漆包线线径以降低线圈电阻;优化线圈形状函数以提高线圈的磁场生成能力;改善terfenol-d的尺寸来降低磁通路径的磁阻,减小涡流损耗,提高致动器的磁场利用率;兼顾提高致动器的能量转换效率,提出优化设计超磁致伸缩致动器的规律.两个致动器的实验对比验证了该设计方法的可行性.

利用hammerstein模型对超磁致伸缩作动器(gma,giantmagnetostrictiveactuators)进行建模,分别以改进的prandtl-ishlinskii(mpi,modifiedprandtl-ishlinskii)模型和外因输入自回归模型(arx,autoregressivemodelwithexogenousinput)代表hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1~100hz频率范围内较好地描述gma的率相关迟滞非线性特性.提出了前馈逆补偿和比例-微分-积分(pid,proportional-integral-derivative)反馈相结合的复合控制策略.实时跟踪幅值为16μm的单一频率和复合频率正弦参考输入信号,均方根误差小于1μm,相对误差小于10%,证明了控制策略的有效性.

本文提出了用超磁致伸缩材料与压曲放大机构相结合构成微位移驱动器的方法,建立了超磁致伸缩执行器的控制系统传递函数模型。文中对所建立的系统进行了相频和幅频特性的理论分析和实验,合理地解释了此系统的迟滞曲线随输入信号频率变化的原因。为了进行迟滞非线性补偿,提出了相位补偿与迟滞逆模型相结合来补偿迟滞特性的控制方法。实验结果证明了系统理论模型的准确性和补偿控制方法的有效性。

提出一种基于超磁致伸缩转换器的新型直动式高频电液伺服阀(gmm高频伺服阀),介绍了gmm高频伺服阀的结构组成和工作原理,在建立其数学模型的基础上,构建了amesim仿真模型,仿真分析供油压力、阀芯与阀套间的径向间隙、阀芯圆角、等效质量、阻尼系数和液动力等不同参数对伺服阀输出流量和动态特性的影响。仿真结果表明:gmm高频伺服阀在10mpa供油压力下,输出流量可达6.09l/min,上升时间仅为0.5ms,超调量为11.3%,具有良好的静动态特性;径向间隙大于24μm时,对伺服阀的输出流量和动态特性影响较大;减小等效质量、增大阻尼系数、阀芯保持锐边,可以提高伺服阀的动态特性;供油压力和液动力对伺服阀动态特性无显著影响。仿真结果为gmm高频伺服阀的结构设计和结构参数优化提供了理论依据。

设计一种超磁致伸缩喷油器,其特点为超磁致伸缩致动器直接驱动针阀。将整个系统视为单自由度线性系统,建立了系统的动力学方程,求解得到无针阀阀体撞击时的阀口开度表达式。利用初速度分析了撞击对阀口开度的影响,并分析了静止位置和频率比两个可控参数的影响。得到稳态平衡位置要略低于静止位置,才能保证针阀无激励时可靠关闭;频率比高于5时,棒伸长量的95%都用于开启阀口的结论。

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。实验表明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。

对超磁致伸缩致动器的结构如驱动磁场、偏置磁场、预压结构、水冷机构等进行设计,利用致动器加工实物,完成致动器的静态特性实验,获得不同预压力和驱动磁场强度下的致动器输出位移曲线,并得到了最优参数。

介绍电液伺服阀用超磁致伸缩转换器(gma)的结构和工作原理;在建立转换器数学模型的基础上,构建转换器的amesim仿真模型,分析阻尼系数、等效质量、驱动频率和gmm棒刚度系数等不同参数对转换器动态特性和输出位移的影响。仿真结果表明:增大阻尼系数,减小等效质量,可以提高转换器的动态特性;减小驱动频率和gmm棒刚度系数,可以增加转换器的输出位移。仿真结果为电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的结构参数优化提供了理论依据。

对基于超磁致伸缩驱动器的高速液压开关阀进行了初步的研究，设计了单和双联锥体式阀芯的高速开关阀结构，还对这种阀的主要性能参数做了简要分析。

针对所设计的超磁致伸缩致高速响应电磁开关阀(gmv)进行了结构分析。采用amesim软件建立超磁致伸缩高速响应电磁开关阀模型,在模型下仿真分析了不同占空比、不同工作频率下pwm信号、电流、阀芯位移的关系,同时分析了不同占空比、不同压力、不同电流对gmv流量的影响。通过仿真结果提出改进方法,找到最适合超磁致伸缩高速响应电磁阀设计要求的占空比和流体压力。

提出了射流伺服阀用超磁致伸缩执行器结构,采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩执行器结构参数对超磁致伸缩棒内磁场分布的影响机理,给出了超磁致伸缩执行器结构设计的原则。推导出考虑超磁致伸缩棒内磁场分布不均匀时驱动磁场与执行器输出位移的关系方程式,并通过仿真与实验研究揭示了超磁致伸缩棒内磁场分布不均匀性对超磁致伸缩执行器位移输出的影响规律,最后求出所设计超磁致伸缩执行器漏磁系数约为1.4.

超磁致伸缩驱动器具有响应快、输出应变大、机电转化效率高等优点,但因受超磁致伸缩材料内在的磁滞效应与磁-机耦合效应等因素影响,导致其输出位移存在较大滞环,大大降低了驱动器的输出位移精度,也影响了该材料及其致动器更广泛的应用。为了有效地设计和使用超磁致伸缩驱动器,需要建立准确描述其磁滞非线性的数学模型。在经典preisach模型的基础上建立了超磁致伸缩驱动器的preisach磁滞数值模型,并通过对preisach限制三角形的离散划分,依赖大量实验数据辨识了该模型的参数,并进行了超磁致伸缩驱动器磁滞输出实验研究。实验结果表明:该preisach磁滞模型能较好地描述准静态下超磁致伸缩驱动器的磁滞现象,对指导超磁致伸缩驱动器位移精度的提高具有一定意义。

超磁致伸缩换能器工作的同时受到机械力场和电磁场的双重作用,特性必然受机械结构参数和电源特性的双重影响,为寻找最佳的机械结构参数和电源特性参数,必须建模研究。本文讨论了超磁致伸缩换能器的建模方法,为换能器的设计、研究提供借鉴。

超磁致伸缩换能器工作时同时受机械力场和电磁场的双重作用,特性必然受机械结构参数和电源特性的双重影响,为寻找最佳的机械结构参数和电源特性参数,必须建模研究。讨论超磁致伸缩换能器的建模方法,为换能器的设计、研究提供借鉴。

概述超磁致伸缩换能器的结构、工作原理以及动态特性的建模方法,并结合自行研制的换能器建立起仿真模型,有利于指导换能器的设计研究。

针对目前电液高速开关阀脉宽调制频率不高,新型电-机械转换装置效率较低的现状,研制了一种基于超磁致伸缩材料驱动的新型电液高速开关阀。介绍了其组成和工作原理,并研究了该阀的静、动态特性。实验研究表明,采用超磁致伸缩材料作为新型阀的电-机械转换装置,不仅可以获得较大的阀芯位移,而且使阀的结构简化,易于控制,可获得很高的脉宽调制频率和能量转换效率。

论述了超磁致伸缩作动器的基本原理,根据三种偏置磁场优缺点,选用增加单独线圈产生偏置磁场。在磁路分析的基础上,采用有限元仿真的方法,分析了不同参数和结构对各个组成部分的磁场影响。

介绍实现电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的两种方案;分析单gmm转换器电液伺服阀的结构组成和工作原理,用gma取代传统的力矩马达,大大提高了伺服阀的动态响应速度和精度;同时建立该型伺服阀的模型方程,为具体的仿真分析及参数设计提供了理论依据。

文章介绍了一种新型的液压高速开关阀,它采用了超磁致伸缩驱动器和锥体式阀芯结构。该阀具有很高的切换速度和频率,可以用来作为大流量高速开关阀的先导控制阀,也可以在小流量回路中直接作为控制阀使用。

针对空间结构的动力灾变控制,以超磁致伸缩材料为核心元件,充分利用其输出力大、响应速度快、可靠性高、驱动电压低等磁控特性,设计出一种将电磁能转化为机械能的磁致伸缩作动器,并分析其工作原理和设计方法,然后通过试验对其进行输出性能测试。

针对超磁致伸缩微位移驱动器(gma)的非线性迟滞特性,通过密度函数法和f函数法建立gma的两种preisach数值模型,仿真和试验表明f函数法对滞回曲线的预测效果优于密度函数法。为将preisach数值模型应用于gma的实际控制系统,提出一种preisach实时数字补偿算法,建立基于preisach前馈补偿的pid控制模型,分别采用开环、普通pid和带preisach前馈补偿的pid三种控制器对gma的位置跟踪和轨迹跟踪两种控制问题进行试验研究,结果表明带preisach前馈补偿的pid控制器可显著提高gma的响应速度和跟踪精度,使gma在100μm量程内的位置跟踪和轨迹跟踪误差分别达到3μm、2μm。

磁致伸缩逆效应是稀土超磁致伸缩材料的一个重要应用特性,应用磁致伸缩逆效应可以制作超磁致伸缩力传感器。但由于缺乏相应的设计理论分析,从而制约了其发展。在分析了磁致伸缩逆效应的基础上,给出了超磁致伸缩力传感器的设计原理,设计了超磁致伸缩力传感器的结构,并采用数值计算方法对其磁场进行了计算。计算结果与实验结果的比较表明:二者符合较好,设计的超磁致伸缩力传感器方案是可行的,对其今后进行深入应用研究和优化设计具有重要意义。