超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型.pdf

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1、2016年12月第42卷第12期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsDecember2016V01．42No．12http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0815超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型高晓辉，刘永光，裴忠才+(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)摘要：超磁致伸缩作动器(GMA)输入输出之间存在着磁滞非线性关系，当研究其中高频输出特性时，为了降低材料自身迟

2、滞非线性特性的影响，往往选用零点与饱和状态之间线性度较好的不饱和小回线，因此很有必要开展动态不饱和小回线数学模型的研究。首先在综合研究磁致伸缩材料(GMM)和GMA结构动力学特性的基础上结合安培环路定理提出以励磁电流为输入、应变为输出的动态Jiles．Atherton(J．A)模型，然后在引入磁滞回线特性变量的基础上得出J．A模型关键模型参数对其特性的影响规律，根据不饱和小回线仿真与实验波形的偏离特性提出模型参数的修正方法得到不饱和小回线动态J—A模型。最后，在不同频率和不同饱和幅值下通过实验验证该数学模型的正确性。关键词：超磁致伸缩作动器(GMA)；动态；Jiles．Atheaon(

3、J—A)模型；小磁滞回线；参数修正中图分类号：V252文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)12-2648-06磁致伸缩材料(GMM)作为一种先进智能材料因其具有能量转换效率高、磁致伸缩应变量大、居里温度高、高频动态特性好和能量密度高等优点在很多领域得到了广泛的应用¨‘2o。目前该材料数学模型主要有基于迟滞理论通过纯数学手段描述的Preisach模型。31、神经网络磁滞模型Ho和基于磁畴理论的Jiles．Atherton(J．A)模型。51、自由能模型。614种方式。J．A模型是据磁化机理建立起来的数学模型，能够较好地反映材料的迟滞特性，物理思想清晰，相对较稳定、准确，

4、而且磁滞回线特性与模型参数紧密相关，因此得到了广泛的应用和发展‘7“。。GMM作为一种典型的铁磁性材料输入输出之间存在明显的迟滞非线性，并且易受温度、压力等环境因素的干扰，Ladjimi∽o和Nouicer¨叫等通过对J．A模型参数修正得到了吻合性较强的模型，这就大大增强J-A模型的可拓展性和适应性。当GMM工作在不饱和小回线区域时，采用经典J．A模型常常会出现不对称及不饱和的现象¨1I，采用经典的J．A模型仿真和实验数据会存在一定的偏差¨2。”o，这就为开展超磁致伸缩作动器(GMA)非线性动力学行为特性及控制策略的研究带来极大的障碍。因此，本文针对不饱和小回线采用模型参数修正的方法，

5、在改进J．A动态模型的基础上通过分析仿真与实验波形之间的偏离特性建立了动态小回线数学模型，并通过实验验证该模型的正确性。1GMA结构及工作原理GMA的结构如图1所示，其工作原理为GMM棒在励磁线圈产生动态驱动磁场的作用下产生伸缩位移，通过输出杆驱动其他装置运动。由于GMM自身的性能特点需要通过预压弹簧施收稿日期：2015-12-09；录用日期：2016-03—25；网络出版时间：2016-05-0316：47网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160503．1647．002．html基金项目：国家自然科学基金(11272026)}通讯

6、作者：Tel．：010—82339730E-mail：peizc@buaa．edu．cn；f用格式：高晓辉，刘永光，裴忠才．超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(12)：2648．2653·GAOxH，LIUYG，PEIZC．MinorloopdynamicJiles—Athertonmodelingiantmagnetostrietiveactuatorf．JJ．JoumalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(12)：2648．2653(inChinese)．第12均

7、J晓坪，等：超磁致伸缩作动器小回线动态J—A模型2649㈣1l，、1、I化”』_I{!Fig．1WorkingprincipleofGMA加预应力来提高其磁致伸缩系数。采用环形外套式永磁体产生偏置磁场，一方面可以消除GMM自身的“倍频”特性实现双向位移输出，尽可能利用材料磁滞回线偏置磁场附近线性度较好的区域，降低材料自身非线性因素的影响，另一方面可提供较大的偏置磁场、能耗低、发热量小。在研究其中高频输出特性时，材料及结构的惯性、刚度和阻尼对位移