超磁致伸缩式微小型高速开关阀驱动部件关键技术研究

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1、摘要高速开关元件是数控技术与液压技术结合的产物——电液数字阀的执行机构的关键元件之一，在机床控制、水电控制、火电控制、舰船控制、航天航空飞行器控制和国防武器制导中具有广泛的应用前景。超磁致伸缩材料(GMM，GiantMagnetostrictiveMaterial)是一种新型高效的磁(电)．机械能转换智能材料，具有磁致伸缩应变系数大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快等优点，适合应用于微小型高速开关阀的驱动部件。本文对GMM驱动器实现的关键技术进行了研究和探讨。本文对主要的几类电液控制元件进行了比较，说明了高速开关阀在电液数控系统中具有的优点。粗略地比较分析了GMM、PZT及铁镍合金三

2、种功能材料的物理性能，显示了GMM应用于高速开关阀的优势。介绍了磁致伸缩现象及其形成机理，分析了GMM的基本特性及其电一磁一机热力学性质。在此基础上提出GMM式高速开关阀驱动器的构成方案，制作了原型样机，并对其部分性能进行了测试。。主要的研究工作如下：1)探讨了GMM棒的特性参数设计与选型方法，使GMM棒的各项特性参数具有较佳组合；2)建立了适合高速开关阀驱动器的励磁线圈及偏置磁场的设计准则，从而探讨了驱动器相关参数的优化；对驱动器的电磁场进行了二维有限元分析，提出了较高激励频率下驱动器存在的问题及其解决方案；3)提出并试验了驱动器微位移放大机构的堆叠式新方案；4)设计并试制了GMM式高速

3、开关阀驱动器的原型样机，建立了驱动器性能检测的实验系统。关键字：超磁致伸缩材料，微小驱动器，磁路磁场设计，电磁场数值模拟，微位移放人两』匕工业大学碗上学位论文ABSTACTHigh-speedon／offvalveisthekeyactuatorcomponentfordigitalvalvecontrolsystem．It'salargepotentialtobeappliedinmachinecontrol，airplanecontrol，andcontrolofdefenseproductetc．widely．TheGiantMagnetostrictiveMaterial(GMM)

4、isanewtypeofmagneto／electro-mechanicalenergyconversionSmartMaterial(orFunctionMaterial)．DuetoitsgiantMagnetostrictivestraincoefficient，highpowerdensity,highelectromechanicalcouplingcoefficient，andhighresponsespeed，thisnewkindofsmartmaterialisMerysuittobeadrivercomponentforsmallhigh-speedon／offvalv

5、e．ThispapergoesintotheresearchandexplorationofthekeytechnologyofGiantMagnetostrictiVeActuator(GMA)．Inthispaper,severaltypicalactuatorcomponentsfordigitalvalvecontrolsystemandthreefunctionmaterials’mainperformancehavebeencompared．ItshowesuDadvantageousofthehigh—speedon／offvalvewhichbasedonGMM(orGMA

6、)．TheGiantMagnetostrictivephenomenonanditsmechanismarediscussed．ThebasicpropertyofGMMiswellunderstoodandthesystemofGMAforthehigh—speedon／offvalvedriverisproposed．AGMAforhigh—speedon／offvalvedriverisdesigned，optimized，andmanufactured．Thedriverismadeupofaactuatorandamicro-displacementamplifier．Thete

7、stingresultsofthedrivershowtheadvantagesofGMAandexistentdisadvantagesneedtobeovercome．ThepaperhasdiscussedmethodsthatselectanddesigntheGMMrodparametertooptimizeitsperformancecompounding．Basedontheelectro—magnetic