学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究

作　者: 张庆新
导　师: 王凤翔
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 磁控形状记忆合金马氏体相变蠕动型直线执行器差动式执行器外特性
分类号: TM271
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 456次
引　用: 11次
阅　读: 论文下载

内容摘要

磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy简称MSMA)是近几年出现的一种新型功能材料,该材料在马氏体条件下外加磁场可以使其有较大的变形率,并具有形状记忆功能,力能密度大,响应频率高,有望成为新一代智能驱动器和传感器的关键材料。目前国内外对其研究主要集中在微观结构、温度和材料组成成分、磁感生应变等方面,对其应用研究较少。本文主要在对MSMA材料特性实验研究的基础上,进行了该种材料在执行器中的应用基础研究。首先研究了MSMA的变形机理、马氏体择优取向的过程,分析了MSMA样品的微观结构和物理特性。然后根据相界面摩擦理论,推导了MSMA系统热力学参量的表达式,计算了不同样品马氏体相变过程中界面摩擦所消耗的能量。结果表明相界面运动消耗的能量仅占相变潜热的很小部分,且相变潜热越大,相界面运动的摩擦耗能越小,正是相变过程中的界面摩擦导致了相变的热滞后。由于MSMA材料的温度、压力、磁场和变形率之间是一个复杂的非线性多变量系统,目前难以对其特性进行定量分析,为此利用自行设计的实验装置,对MSMA材料在不同温度、磁场、预压力下的外特性进行了系统的实验研究,提出了一种测量MSMA材料相对导磁率的方法,研究了利用弹簧恢复形变的静、动态变化规律,并对导磁率的非线性关系进行了实验研究。在实验研究的基础上,建立了忽略温度变化的执行器系统的数学模型。尽管MSMA的变形率较大,但直接用以制造大行程的直线驱动器比较困难,一是需要用较多的MSMA材料,成本较高;二是体积大所需励磁功率较大。因此利用仿生学蠕动原理设计了MSMA直线驱动器,将MSMA小步距的位移累加形成直线驱动器所需要的大行程。设计制作了样机,实现了大步距的双向运动,对励磁电流、位移和通电频率之间的关系进行了探讨。提出了一种采用永磁体产生偏磁磁场的MSMA差动控制策略,可以减小励磁功率、消除温度影响和提高控制精度。研制了首台差动式MSMA执行器实验样机,进行了交、直流实验研究,验证了控制策略和设计方法的可行性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-27
  1.1 引言  13-16
  1.2 磁控形状记忆合金NiMnGa的研究概况  16-22
    1.2.1 形状记忆合金的发展概况  16-17
    1.2.2 Ni_2MnGa合金的磁性起源和晶体结构  17-18
    1.2.3 Ni_2MnGa合金的相变温度、居里温度与成分的关系  18-20
    1.2.4 NiMnGa合金的中间马氏体相变和预马氏体相变  20-21
    1.2.5 Ni_2MnGa合金的磁感生应变  21-22
    1.2.6 Ni_2MnGa合金的应力—应变特性及单变体马氏体的磁性  22
  1.3 磁控形状记忆合金执行器的研究现状及其应用前景  22-24
    1.3.1 磁控形状记忆合金执行器的研究现状  22-23
    1.3.2 磁控形状记忆合金执行器的应用  23-24
  1.4 本文研究的目的、意义和研究内容  24-27
    1.4.1 本论文研究的目的、意义  24-25
    1.4.2 本论文研究的主要内容  25-27
第二章 MSMA材料的变形机理及相变热力学理论的研究  27-49
  2.1 引言  27-28
  2.2 MSMA变形机理和理论  28-34
    2.2.1 磁控形状记忆效应  28
    2.2.2 MSMA材料中的马氏体相变  28-29
    2.2.3 MSMA材料的变形机理  29-31
    2.2.4 MSMA微观结构和物理特性  31-33
    2.2.5 晶体学和力学性能  33-34
  2.3 MSMA变形机理与温控形状记忆合金和磁致效应的比较  34-36
    2.3.1 与马氏体相变相关的形状记忆效应的比较  34-35
    2.3.2 与磁致伸缩效应的比较  35-36
  2.4 MSMA马氏体相变热滞后的研究  36-47
    2.4.1 MSMA样品的相变温度测定  36-40
    2.4.2 界面摩擦理论模型  40-41
    2.4.3 相变热滞测量  41-42
    2.4.4 热动力学理论计算  42-47
    2.4.5 结果分析  47
  2.5 本章小结  47-49
第三章磁控形状记忆合金的数学模型及磁控特性研究  49-69
  3.1 引言  49
  3.2 MSMA的磁控特性  49-51
    3.2.1 磁场强度的方向  49-50
    3.2.2 MSMA在磁场作用下变形后恢复原来形状的方法  50-51
  3.3 磁控形状记忆合金模型  51-54
  3.4 MSMA特性测试装置的设计  54-56
  3.5 MSMA的静态特性研究  56-62
    3.5.1 恒定温度和恒定磁通密度下预应力与MSMA变形的关系  56-59
    3.5.2 恒温恒压下MSMA变形率与施加磁感应强度大小的关系  59-60
    3.5.3 恒压力恒磁通下MSMA变形率与温度的关系  60-61
    3.5.4 静态应力下的直流驱动  61-62
  3.6 MSMA的动态特性研究  62-67
    3.6.1 磁场强度不变时预压力对MSMA动态变形影响  62-63
    3.6.2 磁场不变时温度对MSMA磁控特性的影响  63-64
    3.6.3 不同预压力下MSMA变形与施加磁场大小的动态关系  64-66
    3.6.4 MSMA动态磁导率的测定  66-67
  3.7 本章小结  67-69
第四章 MSMA直线驱动器的研究  69-95
  4.1 引言  69-72
    4.1.1 SMA驱动器  69-70
    4.1.2 压电式驱动器  70
    4.1.3 超磁致伸缩(Terfenol-D)驱动器  70-72
  4.2 蠕动型MSMA直线驱动器的工作原理  72-75
  4.3 蠕动型直线驱动器的设计  75-82
    4.3.1 MSMA直线驱动器的总体结构设计  75-76
    4.3.2 MSMA尺寸与弹簧压力的确定  76-78
    4.3.3 磁路及励磁绕组设计  78-82
  4.4 蠕动型直线驱动器简化动力模型  82-87
    4.4.1 静态位移力模型  82-84
    4.4.2 蠕动型直线驱动器的动力学方程  84-86
    4.4.3 计算结果  86-87
  4.5 蠕动型直线驱动器控制系统设计  87-91
    4.5.1 模拟控制系统设计  87-90
    4.5.2 数字控制系统设计  90-91
  4.6 样机设计与试验  91-94
  4.7 本章小节  94-95
第五章差动式磁控形状记忆合金执行器研究  95-103
  5.1 引言  95
  5.2 差动式MSMA执行器的工作原理  95-96
  5.3 差动式MSMA执行器的设计  96-99
    5.3.1 差动式MSMA执行器的结构  96-98
    5.3.2 差动式MSMA执行器输出力与位移分析  98
    5.3.3 差动式MSMA执行器磁场分析  98-99
  5.4 差动式MSMA执行器样机的研制与实验  99-102
    5.4.1 差动式MSMA执行器样机的研制  99-100
    5.4.2 差动式MSMA执行器实验结果  100-102
  5.5 本章小结  102-103
第六章结论  103-104
参考文献  104-114
在学研究成果  114-116
致谢  116

磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究

内容摘要

全文目录

相似论文