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超磁致伸缩材料、器件损耗理论与实现研究

陶孟仑  
【摘要】:基于材料本身的各种物理效应,智能材料可实现电、磁、热等能量与机械能之间的相互转换,是集驱动与传感于一体的新型功能材料,并成为从大功率换能器件到微纳尺度元件设计与制造的基础。常见的智能材料包括超磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金、电致伸缩及磁流/电流变液等材料,它们在精密驱动、超精密加工、超声切削、振动主动控制及无损检测等领域有着广泛的应用。智能材料在能量转换的过程中普遍存在输入信号与输出信号之间的迟滞行为,对于超磁致伸缩材料,其体现为磁滞,实际上是一种能量的损耗。本文针对超磁致伸缩材料的磁滞行为,以材料物理本质属性为基础,采用磁、机械、磁机耦合三种损耗及其相应损耗因子来表征材料的磁滞行为,研究了三种损耗因子的计算与测量方法,为超磁致伸缩材料在高频、大功率等场合下的应用提供分析与建模的基础。 本文所做的主要研究工作及创新点体现在以下四个方面: 1、超磁致伸缩材料磁滞非线性建模的方法包括基于物理磁滞模型,如Jiles-Atherton磁滞模型、自由能模型,以及基于数学方法的Preisach磁滞模型等,但这些模型在动态应用条件下的时间响应性、计算复杂度以及在表现材料物理本质属性方面皆有一定局限性。磁滞从物理的本质上讲实际上是一种能量的损耗,本文基于Gibbs、Helmholtz自由能推导的线性压磁本构方程组,采用磁、机械、磁机耦合三种损耗及其损耗因子来表征材料的磁滞行为,在内耗理论的基础上分析了磁滞损耗的物理本质,保证了磁滞表征方法在动态应用中的简洁直接、快速响应及准确的特点。 2、磁、机械、磁机耦合三种损耗因子表征的理论基础是超磁致伸缩振子的阻抗表达及其与共振和反共振点的机械品质因素之间的关系。考虑到磁致伸缩材料的各向异性,同时建立了k33、k31、kt、kp、k15五种振子振动模式的阻抗表达,并推导出各模式下的磁、机械、磁机耦合损耗因子与机械品质因素Q之间的关系表达。 3、在实验方法上,建立了磁滞损耗因子的高能量表征实验平台,以k33轴向伸长模式为基础,获得了该模式下的损耗因子及其在各种偏置磁场条件下的变化趋势及若干关键参数的变化特征。采用区别于驱动线圈的感应线圈的阻抗特性,以降低线圈本身参数属性对振子阻抗特性及损耗因子的影响。同时,将考虑损耗因子的等效电路分析方法应用到超磁致伸缩换能器的建模中。并分析了恒定电流驱动(磁场恒定)、恒定电压驱动(磁感应强度恒定)以及恒定振幅输出(输入功率恒定)三种驱动方式对损耗因子实验测量过程的影响。 4、涡流损耗是超磁致伸缩材料动态应用的另一种主要损耗,其大小与材料的物理属性(电阻率、磁导率)、几何形状(圆柱、叠片等)及器件工作的频率密切相关。决定涡流损耗的关键因素是涡流截止频率,抑制涡流损耗的方法包括提高材料的电阻率或采用薄片及其叠堆形式的材料结构。为降低涡流损耗对超磁致伸缩材料磁滞损耗分析过程的影响,本论文分析了整体棒状结构与叠堆结构的超磁致伸缩棒的涡流损耗模型,通过试验分析了两种结构材料的涡流损耗对器件阻抗频谱及振动输出的影响,验证了实验结果与模型的一致性。 以上研究成果与创新内容解决了超磁致伸缩材料在动态应用时的磁滞损耗的表征与涡流损耗的抑制等关键问题,丰富了磁滞损耗建模方法,并保证了新的磁滞建模方法的简洁直接、快速响应及反映材料的固有物理属性的特点。磁滞损耗理论与实验结果相结合,论文在研究内容上是自洽的。 本学位论文得到国家自然科学基金项目‘‘Galfenol智能型悬臂梁非线性耦合动力学模型研究”(51175395)、“基于惯性冲击的磁致伸缩式微小无缆驱动器研究”(51165035)、教育部博士点基金项目“基于磁各向异性的Galfenol本征非线性模型及其应用研究”(20090143110005)及广西制造系统与先进制造技术重点实验室开放基金项目“考虑磁滞与涡流瞬态损耗的超磁致伸缩致动器建模及其动态应用研究”(11-031-12S05)的资助。


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