基于旋转永磁体驱动方法的铁镓合金宏微运动变换机理研究

A new permanent-magnet rotary driving method of magnetostrictive Galfenol has been proposed by applicant. This methods combines the relative mature technique of traditional servo motor control with the giant magnetostrictive actuator. A new driven method is generated by using rotating permanent-magnet method. However, the intrinsic principle of macro-rotary motion into micro-strain transformation has not been clarified yet. This funding proposal will plan to use modified Schwarz-Christoffel reluctance method to precisely calculate the 3D reluctance with circle and ring sections, to improve the mathematical modelling precision, and to study the requirements of Sine-wave output. A modified feedback non-hysteretic model combined with hysteresis model was also proposed for output modeling due to its simple, time-saving and precise properties. Finally, a vector composition method was proposed for establishing output model with variable oval long and short axes. The mechanism of temperature rise and driving response will also be studied. The study results will contribute to the theory of high-speed manufacturing of oval piston in our automotive enterprises.

明确提出了旋转永磁体驱动超磁致伸缩铁镓合金的新方法，该驱动方法将相对成熟的电机伺服控制技术与超磁致伸缩执行器相结合，形成了区别于电流驱动的新颖驱动方法。其蕴含的将电机输出轴的宏观旋转运动转变为铁镓合金的微应变输出的宏－微运动机理尚未明确。本课题拟采用改进Schwarz-Christoffel磁阻方法，推导出圆形及环形截面三维磁阻模型计算方法，提高磁阻数学模型精度，利用该方法研究椭圆活塞加工所需要的一次函数输出条件；在此基础上，利用反馈型(Feedback)无滞回建模方法结合磁滞误差补偿模型，建立快速、简单及高精度输出模型；最后，采用矢量合成方法建立变椭圆比输出模型，明确旋转永磁体驱动方法下的温升机制以及采用伺服驱动技术的铁镓合金最快响应速度。课题研究成果可被广泛用于我国汽车、船舶等发动机产业，促进产业优质发展。

电机驱动的宏观运动与智能材料微纳米级微观运动分属两个不同研究领域，电机基于电磁原理而智能材料驱动基于特定条件下的材料微形变原理。在项目研究之前，两者并无联系，分别独立控制。导致宏观运动与微观运动同步控制时，控制系统非常复杂。本项目旨在研究阐明一种利用宏观运动控制微运动的新型机理，该机理利用铁镓合金超磁致伸缩材料在磁场下产生微变形特性，通过旋转永磁体方法，改变铁镓合金励磁磁场，从而达到利用电机的宏观旋转运动控制铁镓合金的微观运动，将原本独立的电机研究领域和超磁致伸缩执行器研究领域联合起来，实现了超磁致伸缩执行器新的控制方法。通过数学建模、有限元分析以及实验全方面对该机理进行论证。验证电机驱动超磁致伸缩执行器这一概念的正确性。首先，利用磁路方法建立了数学模型，给出了输出微位移与驱动永磁体转动速度之间的关系表达式；其次，利用三维有限元进一步验证电机驱动超磁致伸缩执行器这一概念，分析了不同励磁磁场、不同永磁体形状和不同驱动永磁体旋转角度下的磁场分布；最后，在超磁致伸缩材料铁镓合金特性曲线测试及机械设计的基础上，加工制作了样机，并实验测试。实验测试结果与理论分析相符，进一步验证了电机驱动超磁致伸缩执行器这一概念的正确性。目前，样机已经利用电机实现实现3.5微米微位移输出，达到0.04微米每旋转角度的宏-微位移变换。研究成果可以改变目前电流控制超磁致伸缩执行器在恒定微位移输出下低效问题，在高效制动装置、高精度定位平台、高精度机械加工执行器和中凸变椭圆活塞加工执行器中具有较好的应用前景。