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超磁致伸缩燃油阀的研究

发布时间:2019-09-21 04:31 来源:未知 编辑:admin

  分类号:TM27密级:UDC:编号:12-080805-M学位论文超磁致伸缩燃油阀的研究王志娟指导教师姓名:闫荣格教授河北工业大学申请学位级别:硕士学科、专业名称:电气工程论文提交日期:2011年11月论文答辩日期:2011年12月学位授予单位:河北工业大学答辩委员会主席:评阅人:2011年11月 ThesisSub mittedtoHeb eiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectricalEngineeringResearchResearchResearchResearchofofofofthethethetheGiantGiantGiantGiantMagnetostrictiveMagnetostrictiveMagnetostrictiveMagnetostrictiveFuleFuleFuleFuleValveValveValveValveb yWangZhij uanSup ervisor:Prof.YanRonggeN ovemb er2011 河北工业大学硕士学位论文i超磁致伸缩燃油阀的研究摘要稀土超磁致伸缩材料具有的磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快等优点,使得该材料在高科技领域中得到广泛应用。因此利用超磁致伸缩材料制成的燃油阀,其性能明显优于其他材料制成的燃油阀。本文利用多参数磁测量系统对超磁致伸缩棒的磁特性进行测试,分析了偏置磁场和压应力对磁导率的影响规律,找出最佳工作点;进行了超磁致伸缩燃油阀的磁结构设计,并对该结构模型进行了有限元仿真和实验验证;最后,对超磁致伸缩燃油阀壳体结构进行设计,并计算出了阀门的流量和控制直流电流的关系。结果表明,本文设计的超磁致伸缩致动器可以在直流电流控制下输出一定的位移,驱动阀门的开启和关闭从而实现流量的精确控制。关键词:超磁致伸缩致动器,燃油阀,结构设计,有限元分析 超磁致伸缩燃油阀的研究hisp ap er,magneticcharacteristicsofthegiantmagnetostrictiverodhasb eenmeasured.Theinfluenceofb iasmagneticfieldandcomp ressivestressonthep ermeab ilityhasb eenanalyzed,andtheb estop eratingp ointhasb eenfound.Themagneticstructureofthegiantmagnetostrictivefuelvalvehasb eendesigned.Magneticfieldofthestructurehasb eencalculatedb ythefiniteelementanalysisandexp erimentalverification.Finally,thegiantmagnetostrictivefuelvalveb odyhasb eendesigned.Therelationb etweentheDCcurrentandflowofthefuelvalvehasb eencalculated.Theresultsshowthatthedesignedgiantmagnetostrictivemagneticstructurecanoutp utdifferentdisp lacementanddrivethevalveop enorclosedb ycontrollingtheDCcurrent,andthenrealizethep reciseflowcontrol.KKKKEYEYEYEYWORDSWORDSWORDSWORDS::::thegiantmagnetostrictiveactuator,fulevalve,structuraldesign,finiteelementanalysis 河北工业大学硕士学位论文iii目录第一章绪论...............................................................................................................................................11-1超磁致伸缩材料的简介.....................................................................................................................11-2超磁致伸缩材料的特点.....................................................................................................................21-3国内外研究现状.................................................................................................................................31-4课题意义及研究内容.........................................................................................................................6第二章超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析.......................................................................82-1引言.....................................................................................................................................................82-2超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析..............................................................................................82-2-1多参数磁测量系统的介绍.............................................................................................................82-2-2超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析..........................................................................................92-3本章小结...........................................................................................................................................13第三章超磁致伸缩燃油阀的结构设计.....................................................................................143-1激磁方式的选择...............................................................................................................................143-2材料的选择.......................................................................................................................................153-2-1永磁材料的选择...........................................................................................................................153-2-2导磁材料的选择...........................................................................................................................163-2-3超磁致伸缩棒的选择...................................................................................................................173-2-4线圈尺寸的计算...........................................................................................................................173-2-5输出杆的材料选择.......................................................................................................................203-3超磁致伸缩燃油阀的工作原理及致动器结构设计........................................................................203-3-1超磁致伸缩燃油阀的工作原理...................................................................................................203-3-2超磁致伸缩致动器的结构设计...................................................................................................203-4本章小结...........................................................................................................................................22第四章超磁致伸缩燃油阀的有限元分析...............................................................................234-1超磁致伸缩致动器结构模型的有限元仿真计算............................................................................234-1-1电磁场数值计算和有限元法简介...............................................................................................234-1-2致动器结构设计仿真计算...........................................................................................................244-2超磁致伸缩致动器电磁特性实验研究............................................................................................324-2-1实验模型磁场的测量...................................................................................................................324-2-2实验模型磁致伸缩量的测量.......................................................................................................334-3超磁致伸缩燃油阀的结构设计........................................................................................................344-4阀门流量研究...................................................................................................................................364-5本章小结...........................................................................................................................................38第五章工作总结和展望.....................................................................................................................39 超磁致伸缩燃油阀的研究iv参考文献.......................................................................................................................................................40致谢..................................................................................................................................................................42攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果.............................................................................43 河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论1-1超磁致伸缩材料的简介超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial,简称GMM)是一种新型的金属化合物,在常温下具有极大的磁致伸缩。磁致伸缩效应是铁磁体在外磁场中受到磁化时,其在磁化方向上发生长度或者体积的变化,当去掉外磁场时,又恢复到原来的长度。磁致伸缩效应是英国科学家焦耳在1982年发现的。后来,维拉里又发现了磁致伸缩逆效应,即铁磁体发生变形或者受到应力作用时会引起材料磁场的变化,又称为铁磁体的压磁效应。[1]磁致伸缩现象产生的原因是由于铁磁材料在居里点以下发生自发磁化,形成大量磁畴,在每个磁筹内,晶格都发生变形,其磁化强度方向是自发形变的一个主轴。在无外磁场时,磁畴的磁化方向是随机取向的,不显示宏观效应;当加上外磁场时,随着外磁场的不断增大,大量磁畴的磁化方向开始转动,并逐渐趋于外磁场的方向,同时发生形变。若铁磁体在外磁场的方向上伸长,即是正磁致伸缩效应;若铁磁体在外磁场的方向上缩短,即为负磁致伸缩效应。磁致伸缩效应分为线磁致伸缩和体磁致伸缩,线磁致伸缩系数表示为:ll∆=(1-1)自20世纪40年代起,出现了各种磁致伸缩材料。其中,镍和钴具有较大的磁致伸缩。接着,又出现了一些金属化合物,如铁类合金、镍钴合金。这类金属化合物的磁致伸缩的数量级一般在10~10-6-5,这类材料一般具有高机械强度、高居里点及工作性能稳定,但是电阻率低,涡流大。60年代,接着人们发现了铁氧体材料,具有涡流小、磁滞损耗小等优点,但是其磁致伸缩与热膨胀系数相近,所以应用范围受到了限制。上述材料称为传统磁致伸缩材料。后来人们又发现了电致伸缩材料,这类材料的电致伸缩系数比传统的磁致伸缩材料的磁致伸缩大。20世纪60年代,出现的稀土金属铽和镝在低温下具[2]有较大的磁致伸缩,可达到10的数量级,但这种伸缩系数值只有在较低的温度下才能实现,在常温下-3无法使用。为了得到在常温下有较大的磁致伸缩系数,出现了三元稀土合金材料Tb DyFe,也就是超[3]磁致伸缩材料。上世纪后期以来,开始了GMM的商业生产。我国于90年代左右开始研究GMM材料,现在已有多家单位开始生产GMM。随后又利用该材料特性进行的一些器件研究,对促进我国的开发应用领域起到了非常重要的作用。对超磁致伸缩材料的电磁场和机械能有效转换效率的利用,我国已研究出了众多先进的应用器件,并且在我国军事和海洋工程、工业方面等都有着重要的应用。在军事和海洋工程方面,利用稀土超磁致伸缩材料可以制作换能器,可以应用于许多的领域,其换能器在水声声纳技术方面有着广泛的应用前景,应用于海洋探测与开发等高技术领域;对于大功率超声换能器可应用于机械、医疗、生物等方面,主要原理是超声振动使液体产生“空化效应”,瞬间产生大量的气泡并破裂,产生局部高温、高压和机械冲 超磁致伸缩燃油阀的研究2击力,可以用于清除元件的表面杂质、污垢或油腻等。在机械加工方面可以通过超声振动使加工品连接起来。在工业方面,利用超磁致伸缩材料制成各种精密控制器件,可用于机器人中的一些精密控制、机械加工中的精密切割、燃油喷射系统中的精密阀门,在超声医疗器具中可以实现对细胞的定位治疗等;在电子工业超大规模集成电路方面,利用该材料可以使集成电路的体积大大的减小。超磁致伸缩压[20,28]力传感器是利用该材料的压磁特性制备而成的,主要原理是:当对其超磁致伸缩材料施加一定的外力作用时,其形成的磁场将发生相应的变化,通过测量其磁场的变化就可以得到对器件施加的压力大小,由于该材料具有抗压强度大、应变大、反应速度快等优点,使得采用该材料制成的传感器可以适用于各种恶劣环境条件下,其信号处理简单方便、体积小、稳定性高,可以应用在汽车载重时是否有超重的问题等称重方面。超磁致伸缩精密致动器在精密阀门控制、精密流量控制等方面也具有明显优势。1-2超磁致伸缩材料的特点与传统的磁致伸缩材料和压电材料(PZT)相比,超磁致伸缩材料具有许多其他材料没有的明显优势。第一,在常温下具有大的磁致伸缩,能量转换能力强。GMM的超磁致伸缩应变可达0.15%,为[3-4]10数量级,比压电材料大5~8倍。超磁致伸缩材料线性区的磁致伸缩可达到几十p p m。此外,GMM-3的抗压强度好,可以承受200MPa以上的压力。GMM的机电耦合系数大,能量转换效率高达70%,压电材料只有40%~60%。GMM低频特性好,在0~5kHz范围内,其能量转换效率高于其他材料。第二,驱动电压低,输出功率大,能量密度高。GMM的工作电压较低,只需几伏至100多伏,在低磁场下即可获得大的应变量,而压电材料的工作电压达到了2kV/mm,容易引起电火花和绝缘击穿等问题;超磁致伸缩材料可产生很大的推力,这样有利于器件的小型化;GMM的能量密度可达14000~25000J/m,可以减少器件的尺寸。第三,可控性好,可靠性高。GMM不存在压电陶瓷中退极化引起的3失效问题和无疲劳问题。GMM的居里温度高,即使温度高于居里点,使其磁致伸缩性能受到严重影响,也只会瞬时地失去磁致伸缩特性,等温度低于居里点时,其性能又可以完全恢复。GMM的驱动电压低,避免了电击穿问题。表1.1列出了稀土-铁磁致伸缩材料与压电陶瓷材料的物理性能。表1.1稀土-铁磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的物理性能Tab le.1.1Physicalp rop ertiesoftheGMMandPZT材料特性稀土-铁磁致伸缩材料压电陶瓷材料应变系数(1500~2000)×10(100~600)×10-6-6声速/ms17203130-1产生应力/kgcm300150-1居里温度/℃38040180100机电耦合系数0.7~0.750.5~0.6能量转换效率/%49~5623~52能量密度/kJm14~250.65~1-3响应时间小于1s约10s 河北工业大学硕士学位论文3基于超磁致伸缩材料和传统磁致伸缩材料及压电材料的对比,利用超磁致伸缩材料的优点和特点,设计出一种满足工业上应用的燃油喷射阀,使其具有燃油效率高,精密控制,输出力大,抗压强度大,使用寿命长,结构简单、体积小、成本低等优点。设计利用超磁致伸缩材料制成的致动器,其性能明显优于压电陶瓷类材料。所以本文采用超磁致伸缩材料作为超磁致伸缩燃油阀的驱动材料。稀土超磁致伸缩材料具有伸缩系数大、响应速度快等优异特性,属于高新技术功能材料。在高技术领域有广泛的应用前景,可以在精确定位、大幅度减小结构尺寸和重量、提高输出功率等方面有着重要作用,具有很高的经济使用价值。目前,世界上的许多公司都在对稀土超磁致伸缩材料的应用开发进[5]行研究。我国对稀土超磁致伸缩材料的应用研究还处于开始阶段,但发展较快,引起了高科技领域的广泛关注。利用GMM材料的特性可以制成各种器件,其基本物理特性见表1.2所示:[3,7-9]表1.2超磁致伸缩材料的物理特性Tab le.1.2Physicalp rop ertiesoftheGMMJoule效应即磁致伸缩特性,磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化。Villari效应给磁性体施加外力作用,其磁化强度发生变化,可用于制作磁致(逆磁致伸缩特性)伸缩传感器。E效应随着磁场的变化,杨氏模量也发生变化,可用于声延迟线。Viedemann在磁性体上形成适当的磁路,当有电流通过时,磁性体发生扭曲效应变形,可用于扭转马达。Anti-Viedemann效应发生机械扭曲,且在二次线圈中产生电流可用于扭转传感器。Jump 效应外加预应力时,磁致伸缩随外磁场而有跃变式增加,磁化率改变。根据以上特性可以制成各种器件,如在声纳、换能器等领域。在致动领域的应用也十分重要,制成的精密致动器,可以进行阀门和流量的准确控制。应用超磁致伸缩材料的逆磁致伸缩特性,可以制作传感器等器件。本文主要是利用超磁致伸缩材料的第一个特性,即磁致伸缩特性(Joule效应),制作超磁致伸缩燃油阀的驱动器件,即超磁致伸缩致动器。1-3国内外研究现状燃油阀是工业中一种重要的器件,致动器是喷射阀的核心,对燃油阀的研究实际上是对致动器的研究。通过对致动器的研究,设计出燃油阀的结构。致动器在精密阀门控制、精密流量控制等方面具有重要的作用。致动器(Actuator)是指能够产生驱动力或驱动作用的器件和装置,是一切自动化装置和设备的动力部件,又可以称为驱动器、作动器、执行器或执行机构。致动器在自动化生产和一些精密控制等领域都起着至关重要的作用。目前,致动器一般有静电致动,电热致动,形状记忆合金致动,压电致动和超磁致伸缩致动器等。静电致动是利用电荷间的吸引力和排斥力的互相作用,依次驱动电极而产生微小的平移或旋转的一种驱动形式。但是它产生的驱动位移小,在加工方面对间隙尺寸和精度的要求高,一般工艺不容易满足,因此应用的范围较小,没有成为广泛使用的致动材料。 超磁致伸缩燃油阀的研究4目前电热致动的热致动方式主要分为双金属膜片热致动器、微流体致动和微悬臂梁机构致动三类。其中,微悬臂梁机构采用硅材料作为致动材料,通过MEMS工艺加工而成,该机构由冷臂和热臂组成,冷臂的电阻小是宽边,热臂的电阻大是窄边,对机构通过一定的电流后,由于电阻大小的不同,热臂的伸长变形大于冷臂的伸长变形,根据两边的伸长变形量不同从而发生弯曲。该热致动方式的最大缺点是驱动精度低、响应速度慢。形状记忆合金致动是利用记忆合金(SMA)材料经过受热或冷却,可以从变形状态恢复到初始几何形状,从而产生驱动位移和驱动力。我们常见的具有形状记忆特性的合金有AuCu、InTi和N iTi等。由[15]于该材料需要加热或冷却来控制形变,对温度的要求较高,执行起来很麻烦,而且在达到要求的温度时需要一定的时间,不能马上达到要求,说明动态响应速度很慢,这就限制了形状记忆合金致动器的发展。压电致动是在压电材料上施加一定的电压,这样压电材料就可以产生应变,输出位移或者力,这种现象称为逆电效应。因此利用压电材料的逆压电效应可以制成压电微致动机构。与以上几种材料相比,压电材料的响应速度较快,变形分辨率高,对温度的变化反应不敏感,没有电磁干扰,克服了其他材料的一些缺点。基于压电材料以上的优点,它成为了目前精密控制领域的领先者,是该领域使用最为广泛的功能材料。但同时它也具备一些能以克服的缺点,如驱动电压高、易击穿等,因此需要性能更加好的材料来实现其驱动作用。本文利用超磁致伸缩材料制成致动器,对超磁致伸缩材料施加一定的直流电流,致动器就会输出一定的位移,通过控制电流值的大小来控制致动器的输出位移。克服了电压材料驱动电压高、易击穿的缺点,同时具备了驱动能力大,响应速度快的优点,响应时间仅是压电材料的十分之一。总之,利用稀土超磁致伸缩材料的优点,可以制成结构简单的微位移致动器。在数控机床、原子显微镜的定位系统、飞机机翼精密调节器、精密流量和阀门控制等方面有着广泛的应用前景。例如在[14-17]数控机床精密加工系统中,将超磁致伸缩致动器配置到数控机床上,可实现超低进给量,显著提高了加工物件的加工精度和准确度。在快速定位调节机构中,如天文望远镜、激光镜和电子显微镜等精密仪器中,将其中的定位调节系统使用超磁致伸缩材料,可以实现仪器的精密聚焦。例如EnergenInc.公司受美国航空太空管理局委托,开发了基于超磁致伸缩材料的太空望远镜聚焦定位控制系统,使地面上的操作人员能够对恶劣的太空环境中望远镜反射面及光学系统实现细聚焦,进行精密定位控制,实现了超磁致伸缩材料在精密定位系统上的飞跃。在自适应光学反射镜中,反射镜采用可变形镜结构,镜面被分割成独立单元,每个单元由超磁致伸缩致动器控制,精密控制线圈电流即可准确改变光程。美国ETREMA公司研制的Terfenol-D磁头定位装置,使计算机的数据存储增加了10倍。俄亥俄电子印刷制版公司将超磁致伸缩材料作为驱动元件应用在印刷制版雕版头上,发明了可控印刷制版雕版头,该发明者是里斯特.W.巴歇尔,该驱动元件可以精确地控制金刚石雕刻头装置,使得刻版速度提高了一倍。在微[10-12,29]电子技术领域,微致动机构可以对电路板上布线的高精密程度和器件的集成化等方面起着重要的作用。在现代生物工程中,有时需要对尺寸微小的细胞进行定位,对其进行一定的操作,如向细胞拾取或者注入某一成分,这项技术就需要具有高精密度的机构进行精确定位并对其进行精细操作。在当今的高科技领域内,微致动技术的发展必将对国民经济、军事国防和人民生活等重要方面带来深远的影响。国内外也对利用超磁致伸缩致动器研制的阀门系统有了一定的研究。在国外流体控制领域,瑞典的 河北工业大学硕士学位论文5一家公司发明的燃料喷射阀如图1.1所示,由超磁致伸缩棒、驱动线圈、预压弹簧、外罩、燃料管、控制阀等组成,其原理就是利用超磁致伸缩材料控制阀门的开启或关闭,对燃料流量无级控制可以实现快速、高准确度的控制,优化了燃烧过程,为计算机控制燃料系统和排气系统提供了可能,已在飞机和汽车领域的内燃机中得到了应用。[18]图1.1GMM燃料喷射阀结构示意图Fig.1.1StructureschematicdiagramofGMMfuelinj ectionvalve德国E.Quandt等人设计了一种悬臂梁式磁致伸缩致动器微型阀门,如图1.2所示。该阀门的主要原理是:阀门关闭时,通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相连,液体同时存在于连通的上下两个腔体内,但是液体并不能流到外面;当阀门开启时,即对其阀门加上外磁场时,镀有磁致伸缩薄膜的基片就会发生变形,产生弯曲,这是因为磁致伸缩薄膜会在磁场的作用下发生形变引起基片发生形变,此时通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片分离,液体就会从上腔经过出口流出,可以实现液体的控制。[13]图1.2悬臂梁式磁致伸缩致动器微型阀门Fig.1.2Cantilevermicro-valve-GMM在国内,较早地对GMM在流体控制元件中进行了应用研究,并设计出气动喷嘴-挡板型伺服阀的是浙江大学流体传动与控制国家重点实验室的丁凡等人。该超磁致伸缩气动喷嘴挡板压力阀的结构原理如图1.3所示。其原理是:减压阀可以设置系统需要的供气压力,节流阀可以调整压力控制腔的进气量;压力传感器将压力信号反馈到控制输入端,整体形成了压力闭环控制系统。经过试验测试表明:采用压力闭环控制系统的GMM气动伺服阀的压力控制范围较宽,有良好的线性度和较快的响应速度。[19]线圈GMM棒预压弹簧法兰盘喷嘴燃料管外罩燃料喷射管入口A向截面图关阀时开阀时磁致伸缩薄膜入口基片通道AA出口出口通道磁致伸缩薄膜AA� 超磁致伸缩燃油阀的研究6图1.3GMM气动喷嘴-挡板压力阀结构图Fig.1.3StructureoftheGMMaerodynamicnozzle-b afflep ressurevalve国内近几年对超磁致伸缩致动器的高速数字开关阀也进行了一定的研究,该高速数字开关阀一般由脉宽调制器、超磁致伸缩致动器、位移杠杆放大机构以及圆柱滑阀组成,采用脉冲调制法来达到流量控制的目的。其结构图如图1.4所示。该开关阀的工作过程为:计算机发出脉冲信号,由PWM脉宽调制器调制为电压信号,并将其电压信号放大,当脉冲信号为高电平时,高频电磁铁通电,磁致伸缩棒伸长,通过杆杠机构推动顶杆克服弹簧力向右运动,在顶杆的作用下阀芯也一起向右运动。此时两腔相通,实现系统工作。当脉冲信号为低电平时,高频电磁铁失电,磁致伸缩棒缩短,阀芯在复位弹簧的作用下,向左运动,此时,切断两腔的通路。改变占空比可以改变高速开关阀的通断时间,进而改变通过高速开关阀的平均流量的大小,可以实现对执行机构运动速度和方向的控制。[20]1.预压油口2.阀芯3.磁致伸缩棒4.激励线超磁致伸缩致动器驱动的二位二通高速数字开关阀Fig.1.4Configurationofthetwop ositiontwoslidevaluewithactuatorofGMM1-4课题意义及研究内容国内的流量控制技术落后于国外,这就严重制约了工业的发展,因而迅速提高我国的液压技术和流量精密控制技术的水平具有极为重要的经济意义和现实意义。国内的一些流量控制系统在速度和精度上控制输入功放PIDI减压阀2pspD压力控制腔压力传感器dcp 河北工业大学硕士学位论文7都有待改进。利用传统材料制作的流量控制器件具有精度低,反应速度慢,体积大等缺点。致动器一般作为驱动器件来驱动整个流量控制系统的流量大小,因此,致动器是整个系统的关键器件,提高致动器的精度和速度也就提高整个系统的性能。GMM的磁致伸缩系数比其他材料大,因此,控制流量的范围也较其他材料的宽,可以实现大流量控制,可以应用于多领域中。GMM的一些其他优点对精度的提高也有所帮助。国内对这方面的研究还不是很多,还处于研究阶段。基于超磁致伸缩材料的优势,通过以上对比以及存在的一些问题,本课题的目的是:采用超磁致伸缩材料设计一种超磁致伸缩燃油阀,使其具有精度高,反应速度快,输出流量大等特点,该燃油阀在尺寸上也将有大大的改善。本课题的主要研究内容如下:1.利用本课题组和中国科学院物理所共同研制的多参数磁测量系统对超磁致伸缩材料的磁特性进行了测试,并对其工作机理进行了分析,并找出了合适的工作点。2.根据材料的磁特性找出最对超磁致伸缩致动器的结构进行了设计,分析了燃油阀的工作原理。3.利用有限元分析对相同压力不同电流下的超磁致伸缩致动器进行了磁场分析,并验证了致动器结构模型的正确性。制作超磁致伸缩致动器的实物并进行实验验证。4.设计了超磁致伸缩燃油阀的结构示意图和实物原理图,并对阀门的流量控制系统进行了简单的分析研究,对流量和电流之间的关系进行了仿真。 超磁致伸缩燃油阀的研究8第二章超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析2-1引言对器件的工作特性产生重要影响的是稀土超磁致伸缩材料的磁特性,因此在设计器件时,首先要对材料的磁特性进行了解,然后根据需要选定材料的磁特性进行器件设计。一般地为了实现方便地进行计算和控制,应使超磁致伸缩材料的磁致伸缩处于线性范围。因此,选择超磁致伸缩材料的工作点要尽量地使材料处于线性区,这样就要求磁场不应该太大,避免超出磁致伸缩线性区;另外磁场也不应该过小,这样可以避免处于材料的线性不灵敏区,提高灵敏度。本章将测试超磁致伸缩材料在不同预压力下的磁特性与磁场的变化关系,从中找出材料的最佳的工作点,并且找出超磁致伸缩材料在线性区的磁场大小。2-2超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析2-2-12-2-12-2-12-2-1多参数磁测量系统的介绍为了给器件的工作特性建模与计算提供基本的试验参数和依据,本文测试了磁致伸缩材料的磁特性。由于不同产家、不同批次的超磁致伸缩材料的相对磁导率与预压力的关系特性存在一定的差异性,而且对于不同的超磁致伸缩材料,其特性所处的线性段及斜率也是不同的,存在一个最佳的线性段。根据电磁测量的基本原理,本课题组与中国科学院物理研究所共同研制了多参数磁测试系统。多参数[21]磁测试系统可以对磁致伸缩棒材和块状样品(5mm)进行多个静、动态参数测量,操作过程可由计算机自动进行,方便简单。测量结果与国外报道的结果一致。该系统具有操作简单、自动记录与绘图和精度高等特点,可在加压和变温条件下测试。多参数磁测量系统由硬件系统和软件系统两个部分组成。其硬件系统主要是由控制计算机、控制柜、电磁铁及测试装置、直流磁场稳流电源几部分组成。测量软件HDCCC是以Windows为操作平台的应用程序,通过HDCCC程序实现对外部硬件的控制、信号采集、处理与显示来完成各种参数的测量。对于磁致伸缩棒材,多系统磁测试系统可以测量:1.静态磁致伸缩 与磁场强度关系曲线.磁感应强度B 和磁场强度曲线与磁场强度变化曲线.棒材的频率阻抗特性曲线通过对以上参数的分析与计算可以得到样品的磁机械耦合系数。对于块状样品(5mm),多系统磁测试系统可以测量:1.交流磁化率 与温度T关系曲线.应变 与温度T关系曲线 河北工业大学硕士学位论文93.电阻率 与温度关系曲线.应变 与磁场强度关系曲线.电阻率 与磁场强度曲线超磁致伸缩材料的磁特性测试及分析超磁致伸缩燃油阀主要是依靠致动器驱动的。超磁致伸缩致动器一般是在一定的机械预压力和偏置磁场(通常称为工作点)下工作的,因此选择合适的工作点是设计超磁致伸缩器件至关重要的第一步,若工作点选取不当,就不能很好地发挥磁致伸缩材料的最佳性能,甚至还会导致器件不能工作。选取合适的工作点主要是依据超磁致伸缩材料的磁特性,磁特性影响着致动器的工作性能和灵敏度。因此,本文利用多功能磁测量系统对国产超磁致伸缩材料的磁特性进行了比较详细的实验研究。测试了该材料在不同预压力下的静态磁致伸缩、相对磁导率与磁场强度曲线进行了测量,根据具体的超磁致伸缩材料进行具体分析,选取材料最佳的线性段,确定其最佳工作点。该国产超磁致伸缩材料的尺寸为Ф10×80mm。关系曲线MPa H(kA / m)图2.1超磁致伸缩棒在不同压力下磁致伸缩与磁场强度的关系HFig.2.1Relationb etweenthemagnetostrictionandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressivep restressforGMMrod(×10-6) 超磁致伸缩燃油阀的研究400600 10MPa800 5MPa1000 0MPa 3MPa0 B(mT)H(kA / m)图2.2超磁致伸缩在不同压力下磁感应强度B 与磁场强度的关系Fig.2.2Relationb etweenthemagneticfluxdensityandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressiveHp restressforGMM 10MPa60 5MPa80 0MPa 3MPa100120140 rH(kA / m)图2.3超磁致伸缩棒在不同压力下相对磁导率与磁场强度的关系rHFig.2.3Relationb etweentherelativep ermeab ilityandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressivep restressforGMMrod 河北工业大学硕士学位论文110 15MPa200 11MPa400 6.6MPa 8.8MPa600 2MPa1600 H(kA / m)图2.4GMM棒在不同压力下磁致伸缩与磁场强度的关系HFig.2.4Relationb etweenthemagnetostrictionandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressivep restressforGMMrod图2.5超磁致伸缩棒在不同压力下磁感应强度B 与磁场强度的关系HFig.2.5Relationb etweenthemagneticfluxdensityandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressivep restressforGMMrod(×10-6) 超磁致伸缩燃油阀的研究102030 15MPa40 8.8MPa 11MPa50 2MPa 6.6MPa6070 rH(kA / m)图2.6超磁致伸缩棒在不同压力下相对磁导率与磁场强度H的关系rFig.2.6Relationb etweentherelativep ermeab ilityandmagneticfieldstrengthunderdifferentcomp ressivep restressforGMMrod从图2.1-2.6可以看出超磁致伸缩材料的磁特性具有如下特征:1.超磁致伸缩材料在低磁场下磁致伸缩增加较快,而在高磁场下磁致伸缩增长缓慢,直至饱和为止。且在低磁场下磁致伸缩在线性段,选择超磁致伸缩材料工作在线性段可以实现简单方便控制,磁致伸缩变化明显,控制精度高。因此GMM材料工作在线性区对器件的设计有重要意义。2.对GMM材料施加一定的预压力可使材料线性区的磁致伸缩增加,特别在低磁场下的磁致伸缩明显得到改善,即超磁致伸缩材料工作在有预压力状态下时,不但可以克服材料的易脆性,而且其磁致伸缩比无预压力时要大,但是预压力过大时磁致伸缩反而会减小,因此施加预压力一般不宜过大。这是因为在零磁场时预应力将使磁畴的磁化强度方向转向与轴向应力垂直的方向,即:使材料的磁畴主要沿垂直于轴线的易磁化方向分布,这时材料的能量最低。当沿棒的轴向加一外磁场使得磁畴最终沿轴向排列,则棒在轴向的伸长将超过不加外应力时的伸长。3.GMM材料的相对磁导率随着磁场的增大而减小,当磁场继续增大时,GMM材料的相对磁导率基本上不再变化。4.GMM材料的相对磁导率随着预压力的增大而减小。GMM材料的相对磁导率较低,因此漏磁严重,尤其是预压力很大时,磁导率趋于饱和,其值趋近于空气的相对磁导率,使用时要注意防止漏磁问题。为了对GMM材料工作在线性区,必须控制磁场的大小,尽可能地使材料处于最大的线性区,增大 河北工业大学硕士学位论文13工作范围。通过超磁致伸缩材料的磁特性可以知道,在GMM材料在不受到预压力时,线性区磁场应该控制在低磁场范围内,最好控制在小于70kA/m的范围内。2-3本章小结本章主要是利用本课题组与中国科学院物理所共同研制的多参数磁测量系统对超磁致伸缩材料进行了较为详细的磁特性测试,分析了预应力和磁场对磁特性的影响规律,发现在低磁场下,材料的磁致伸缩增加很快,但在高磁场下,磁致伸缩增长缓慢,表明材料在低磁场下具有较好的磁致伸缩性能。根据分析,确定了超磁致伸缩燃油阀的最佳工作点,即超磁致伸缩材料工作在低磁场范围内,磁致伸缩呈线性,控制方便。 超磁致伸缩燃油阀的研究14第三章超磁致伸缩燃油阀的结构设计超磁致伸缩致动器是燃油阀的核心器件,致动器的精密度决定整个系统的精密度,因此,设计致动器时要尽量达到高精度、高灵敏度等要求。致动器设计时要遵循以下的设计原则,包括:1)线性度、灵敏度和精密度要尽可能的高;2)迟滞特性、重复特性好;3)稳定性和频率响应特性好;4)反应速度快、抗干扰能力强;5)结构简单、成本低、维修方便、体积小等。3-1激磁方式的选择由于磁致伸缩材料在正反向磁场中都是伸长的,当通过施加一定频率的电流时,其产生的外磁场以一定频率交替变化时,磁致伸缩的频率将是外磁场的两倍,即产生应变的频率是驱动电流频率的两倍,这种现象称为倍频效应。为了消除倍频效应,可以在GMM棒上加一个恒定的偏置磁场来消除,并且这样还可以减少磁致伸缩棒动态效应的不灵敏区,使其应变的线性特性更好,以便实施控制,以期获得最大的动态磁致伸缩系数和最高的机电耦合系数。通过施加恒定磁场的方式,使得磁致伸缩和外磁场的频率达到一致,如图3.1所示。[22]图3.1倍频现象和消除方式Fig.3.1Frequencymultip licationandElimination经过以上分析将偏置磁场的大小定为磁致伸缩曲线线性段一半处相对应的磁场,由第二章可知,线kA/m,所以偏置磁场取35kA/m左右。偏置磁场可用永磁体或电流激励线圈来提供。电流激励线圈提供的磁场可以通过调节电流的大小来调节磁场的大小,具有偏置磁场可调、反复实验相对简单的优点,但是施加电流存在线圈发热的缺点,影响精密度。激励磁场有永磁体提供具磁场强度未加偏置磁场施加偏置磁场输入输出应变 河北工业大学硕士学位论文15有磁场稳定、节能,不需要激励线圈和供电系统,所以它不耗电,也不存在线圈发热的问题,在设计和制造上较前者简单,可以长期无维修运行。此外永磁体还具有响应快、体积小等优点,但缺点是偏置磁场不如电流激励时容易调节,可以直接通过调节直流电流的大小来调节,永磁激励则不易调节。综合考虑实际操作和制作成本等因素,本文采用永磁体激励方式。3-2材料的选择3-2-13-2-13-2-13-2-1永磁材料的选择矫顽力较大(一般大于800kA/m)的磁性材料称为硬磁材料,硬磁材料在被外磁场磁化后,去掉外磁场仍能保留较高的剩磁,因此又被称为永磁材料。永磁材料在磁化过程中的特点和磁特性可以用)(B =曲线来表示的磁感应强度B 随磁场强度的关系曲线-H-H-BmsB(Bm)Bss(Hm)csc-Brcarb图3.2磁滞回线Hysteresisloop grap h在上图3.2中,该回线包含的面积的大小由最大充磁磁场强度决定,即越大,回线的面maxmaxHH积就越大,当max达到饱和或超过饱和磁场时,回线的面积达到最大值,而且此时的磁性能最为稳定H。其中当磁场强度为零时对应的磁感应强度值称为剩余磁感应强度,又称剩磁,用表示,单位为特HrB斯拉(T)。当磁感应强度为零时此时对应的磁场强度称为磁感应强度矫顽力,一般简称矫顽力,用BcH表示,单位为A/m。 超磁致伸缩燃油阀的研究16通常在数值计算中,永磁材料的主要磁性能指标主要用剩磁()和矫顽力()来表示。对于rcBH好的硬磁材料和大部分稀土永磁材料来说,其去磁曲线几乎是直线,可以使永磁机构在运行过程中保持稳定,是最理想的去磁曲线。此时材料的相对磁导率为:c0rr(3-1)HB=其中,r为永磁材料的磁导率,为剩磁,单位是T,为矫顽力,单位是A/m,为线×=H/M。7目前常见的几种永磁材料包括铝镍钴、恒磁铁氧体和钕铁硼。铝镍钴的剩磁虽然很高,但是它[23-24]的矫顽力非常低;恒磁铁氧体的去磁特性曲线基本上是直线,它的矫顽力要比铝镍钴大得多,但剩磁相当小,同钕铁硼比较,恒磁铁氧体的磁能积要低一个数量级;钕铁硼(N dFeB)的磁特性曲线近似为直线,磁化特性在甚至超过矫顽力的很宽的磁场强度范围内都是平直的,矫顽力大,超过960kA/m,退磁难,说明能很好的保持磁性。通过以上永磁材料的比较,由文献[26]可得出结论,选择永磁材料为钕铁硼时的线性度、灵敏度等要比铝镍钴和恒磁铁氧体的好。因此,本文在满足设计要求的前提下,选择钕铁硼作为超磁致伸缩燃油阀需要的永磁材料。其型号选择钕铁硼N 48,具体参数如表3.1所示。表3.1钕铁硼参数表Tab le3.1Thep ermanentmagnetp arameterlist(N dFeB)名称剩磁矫顽力相对磁导率钕铁硼N 481.38T810kA/m1.3563-2-23-2-23-2-23-2-2导磁材料的选择超磁致伸缩材料的相对磁导率低,导磁性能差,结构尺寸大导致漏磁严重。因此在设计致动器的结构时,需要将超磁致伸缩材料处于一个闭合导磁的环境中,防止漏磁,并使GMM材料尽量处于均匀磁场中,这样不仅可以提高超磁致伸缩材料的利用率,减小内部应力,还可以提高整个致动器的线性度、灵敏度等。因此在选择导磁材料时尽量选择高磁导率的材料。导磁材料一般选择软磁材料。软磁材料(softmagneticmaterial)一般是指具有高磁导率,同时矫顽力较低的磁性材料。软磁材料被磁化和退磁都比较容易,因此在电子设备一些特殊场合中应用广泛[25,44]。本文选择轭铁作为导磁材料,该材料具有成本低,易加工等优点,图3.3是轭铁的磁感应强度与磁场强度的关系曲线,横轴是磁场强度H,单位是A/m,纵轴是磁感应强度B,单位是T。 河北工业大学硕士学位论文17图3.3轭铁的磁感应强度与磁场强的关系曲线Relationb etweenthemagneticfluxandmagneticfieldstrengthofiron3-2-33-2-33-2-33-2-3超磁致伸缩棒的选择综合考虑结构模型和输出需要,以及本着节约成本,减小体积的特点,本文选择直径为10mm,长为80mm的国产超磁致伸缩棒,其材料的磁特性曲线线圈尺寸的计算确定了激磁方式,需要根据材料的特性设计线圈所需的匝数、线径、尺寸等。本文选择尺寸为8010×mm的磁致伸缩棒,根据分析可得线圈和磁致伸缩棒等高,即线=mm,线圈内径和L磁致伸缩棒之间加线圈骨架和冷却结构,取线=rmm。超磁致伸缩棒的磁致伸缩与磁场强1度的关系见第二章的图2.1所示,由图可知,GMM材料的H 曲线在磁场强度H 70kA/m范围内H线性度较好。根据这样的特性,对超磁致伸缩棒不施加压力时,适当选取偏置磁场=35kA/m,驱动H0磁场H =35kA/m,则总磁场强度在0~70kA/m的范围内变化。对驱动线圈施加直流电流,通过计算得出线圈需要的匝数、尺寸等参数。(1)计算线圈中导线的线径。裸线直径(mm)的计算公式为:JId13.1=(3-2)式中,I为线圈中通入的额定电流,实际最大电流取5A,J是电流密度,加冷却结构时取5=A/mm代J入公式(1)可得13.1=dmm。可以从线规表上查得选取裸线=dmm,带皮线=mmjd的漆包圆铜线漆包圆铜线主参数要H(A/m)B(T) 超磁致伸缩燃油阀的研究18Tab le3.2Thep arametersofroundcop p er铜芯直径漆包线℃铜芯直流电阻单位长度重量1.16mm1.24mm16.6/km9.546kg/km(2)单位长度上的匝数n1(匝/cm)和单位厚度上的层数n(匝/cm)为:268.724.105.1×10101===jdKn匝/cm(3-3)72.624.120.1×10102===jdKn匝/cm(3-4)式中,K和K分别为线圈的排绕系数和叠绕系数,它们的数值随导线直径不同而不同。(3)估算线圈的总匝数有:()())(rrnL n=(3-5)L=80mm=8cm是线)求出驱动线圈的中心处,即超磁致伸缩棒的位置处轴向磁场分布,如果不满足驱动磁场最大在35kA/m的范围内,就改变r2再计算,知道满足要求为止。根据电磁场原理可知,环形电流在轴线上产生的磁感应强度可表示为:[6,27]()R 是环形电流半径,I 是电流强度,x 是轴线上任一点到圆心的距离。由上式3-6可知,当0=2223(3-6)202+xRI RB=其中,x时,此时位于圆心处且此处的磁感应强度最强,大小是:RIB200(3-7)=单层均匀密绕线所示,p 点到原点的距离为x 。图3.4单层线Thediagramofsinglecoil其中,螺线管的半径为R ,螺线管轴线上p 点到螺线管中心的距离为x ,设单位长度上有nds 匝线圈,在细导线ds 匝紧靠在的线圈可以看作一个通过I nds 电流的线绕线圈...

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