基于Armstrong能量模型的非线性动态维拉里磁滞行为建模与验证

磁致伸缩材料工作在应力激励条件下的输出特性在很大程度上取决于偏置条件(预应力、偏置磁场)和激励频率。为指导磁致伸缩材料在动态应力驱动下的应用,需要建立一个能够适应各种操作条件的动态磁滞模型。该文结合Armstrong能量模型和J-A磁滞模型,建立了磁致伸缩材料的静态维拉里磁滞模型,通过引入频率相关时间常数的一阶微分方程将静态模型拓展为考虑动态损耗的动态非线性维拉里磁滞模型。利用粒子群遗传优化算法通过三个递进步骤提取模型参数。实验数据与模型计算数据的对比结果表明,该模型不仅能够充分描述预应力和偏置磁场对准静态维拉里效应的影响,而且能够反映在不同频率动态应力下磁通密度-应力(B-σ)动态小环和主环的变化趋势,该模型可为磁致伸缩材料器件在应力条件下的应用提供理论指导。

应变-磁场双感知磁致伸缩柔性传感系统与手势交互

具有人体关节弯曲状态和空间位置感知相结合的柔性应变-磁场双模传感器可提供一种响应迅速、界面友好和应用灵活的人机交互方法。受传感结构制约、小型化可穿戴平台算力及功耗的限制,这类器件目前难以实现人体姿态、位置等多信息的同时感知,以及多信息交互所需复杂模型的部署。为了实现高灵敏度和快速响应的力-磁双感知,提出了一种由Co-Fe薄膜和平面磁场传感线圈组成的磁致伸缩柔性传感器。在10~65 mm的弯曲半径ρ作用下,传感器的最大灵敏度为22 mV/mm。在1~11 kA/m的磁场H作用下,传感器的最大灵敏度为1.78 mV/(kA/m)。在1~4 Hz的不同ρ和H下,传感器灵敏度变化均小于1.6%,具有较好的动态输出稳定性。通过分析双感知传感器的输入/输出信号特征,构建了支持传感器信号处理和传输的传感系统,实现了双感知数据的采集。利用自适应模糊神经网络分析手势和位置信息用于手势识别,对传统应力或弯曲传感器易混淆的12种手势进行分类识别,准确率达到90.1%。此外,结合触觉反馈方法增强系统的信息交互能力,通过产生不同幅度和持续时间的振动反馈,帮助用户更好地掌握虚拟环境中的动作效果和相对位置。传感系统推理用户的手势动作和指令,并触觉反馈设备的响应结果,实现了人与设备之间的双向信息交互。

基于L型铁钴的三维力触觉传感器设计及输出特性

该文提出了一种基于L型铁钴丝的三维力触觉传感器,利用磁致伸缩材料铁钴合金设计制作了三维力触觉传感单元,并测试了该结构的输出特性。基于电磁原理、逆磁致伸缩效应和欧拉伯努利动力学原理,推导了输出电压方程。搭建触觉传感单元实验平台,对传感器进行法向和切向标定,设计的传感器法向测力范围为0~13 N,切向测力范围为0~6 N,输出特性具有良好的线性关系。其中,0~8 N法向力范围内灵敏度约为23.997 mV/N,9~13 N法向力范围内灵敏度约为17.537 mV/N;0~4 N切向力范围内灵敏度约为11.599 mV/N,5~6 N切向力范围内灵敏度约为6.281mV/N。在4Hz频率、2N法向力条件下,该传感器动态响应的输出电压幅值变化范围为46.5~49.8mV,与静态力输出电压幅值的相对误差低于5%,响应时间和恢复时间分别为25 ms和29ms,表明该传感器具有良好的动态特性。分别采用广义逆矩阵和BP神经网络对传感器测得的三维力进行解耦,其中,BP神经网络解耦方法平均误差仅有2.90%,可有效提高测量精度。该传感器体积小、输出线性度好,可同时实现静态力和动态力的测量,在智能机器人等领域具有良好的应用前景。

大量程柔性磁致伸缩位移传感器的输出特性

利用磁机耦合方程建立大量程柔性磁致伸缩位移传感器输出电压模型,理论计算输出电压。搭建实验平台,测试波导丝在偏置磁场和激励电流为5~35 kA/m和0.5~3.5 A范围内的输出电压,对比理论值与测量值,确定使波导丝输出电压最优的激励电流和偏置磁场,并对比Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)不同伸长状态下的输出特性。实验结果表明:最优偏置磁场和激励电流为:(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)为15 kA/m和1.5 A;Fe_(82)Ga_(13.5)Al_(4.5)为20 kA/m和1.5 A;Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)为10 kA/m和2 A。Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)波导丝信号衰减程度小,不同伸长状态下的输出电压具有一致性。本文的研究可为设计与开发大量程柔性磁致伸缩位移传感器提供理论依据与指导。

磁致伸缩位移传感器测量盲区失效机理与磁屏蔽优化

磁致伸缩位移传感器在检测线圈附近存在测量盲区,在受限安装空间内有效测量范围难以满足应用需求。针对这一问题,基于魏德曼效应、磁弹性耦合效应和维拉里效应,建立合成磁场作用下磁致伸缩位移传感器的测量盲区模型,分析测量盲区内传感器失效机理。搭建实验平台提供可调的脉冲电流和轴向磁场,选用直径为0.6mm的(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)、Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)和Fe_(30)Co_(70)波导丝验证模型的准确性,测量盲区受永磁体产生的轴向磁场影响,并且随轴向磁场增大。增加静磁屏蔽装置并确定最佳参数,制作样机并测试表明:优化后的(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)波导丝传感器测量盲区由30.05μs缩短为18.45μs,宽度缩短了38.6%;Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)波导丝传感器测量盲区由31.15μs缩短为19.15μs,宽度缩短了38.5%;Fe_(30)Co_(70)波导丝传感器测量盲区由29.55μs缩短为18.85μs,宽度缩短了36.2%。

计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型

文中在Jiles-Atherton磁滞模型和换能器振动系统的结构动力学原理的基础上,考虑交流驱动时的涡流效应和应力状态的变化,建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。对换能器系统不同工作情况进行模型的仿真计算并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。说明所建立的动态模型能较好地描述换能器系统输出应变与驱动磁场之间的关系。根据模型的计算结果拟合出了换能器系统的伯德图,用于指导对换能器系统进行频率跟踪控制。

考虑动态损耗的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型

在热力学理论、Jiles-Atherton模型、能量守恒定律和换能器结构动力学原理的基础上,考虑动态损耗带来的影响,建立了包含磁-机-热的耦合项的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型。运用数值计算方法对所建立的模型进行了计算,计算结果与实验结果吻合较好,说明所建立的多场耦合动态模型能够描述驱动磁场和换能器的输出应变之间的关系,能很好地描述换能器的实际工作状态,为超磁致伸缩换能器设计研发提供理论指导。

超磁致伸缩材料高频磁能损耗特性测试与分析

为进一步研究超磁致伸缩材料磁能损耗特性,将棒状Terfenol-D材料沿着不同磁化方向进行切片,制成多个方形环状薄片样品,对比分析了材料磁化方向以及样品尺寸对磁能损耗的影响。在不同驱动磁场频率和磁密幅值下,对磁能损耗进行测试,分析损耗实测数值变化趋势。基于损耗分离法,结合实测数据,考虑了材料内部涡流集肤效应及动态磁滞特性等影响,对高频磁能损耗进行了数值模拟,研究各项损耗系数变化规律。结果表明,Terfenol-D材料高频磁能损耗随着频率及磁密幅值增加,整体呈数值增大、增速加快趋势。在高频下,损耗系数为随着频率和磁密幅值变化的变量。当频率大于5 k Hz、磁密幅值大于0. 05 T时,数值模拟方法所得计算值与实测值的平均误差为3%。

超磁致伸缩超声换能器的结构与谐振频率分析

基于电路理论和系统动态方程提出了超磁致伸缩换能器的系统化整体结构设计方法。建立了超磁致伸缩超声换能器的有源元件Terfenol -D棒和各振动组件的机电等效电路 ,与电路理论相类比推导出谐振状态的频率方程 ,求解频率方程得出换能器各部分的结构尺寸。以这些尺寸为依据 ,用数值计算软件计算磁致伸缩棒中磁场分布情况。用有限元法建立了换能器的磁 -机械耦合动态方程 ,结合磁场分布情况 ,求解动态方程得出谐振频率 ,与给定谐振频率对比并校核原结构设计 。

超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注.将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标.介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义.

TbDyFe合金的高频动态磁特性及损耗特性分析

TbDyFe合金可应用于高频乃至超声频率器件中,高频磁场(f>1 kHz)下TbDyFe合金(Terfenol-D)磁滞现象及损耗严重。研究不同厚度TbDyFe合金叠片的动态磁特性及损耗特性对于设计高频范围的器件至关重要。采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了不同厚度TbDyFe合金叠片在不同驱动磁场频率和磁密幅值下的动态磁滞回线。基于动态磁性理论和损耗计算模型,对比分析了不同厚度TbDyFe合金叠片的动态磁特性参数,并对高频范围内的损耗机理进行了深入研究。实验结果表明,当磁密幅值B_m=0.05 T、频率为5 kHz时,1 mm厚叠片结构样品与单片2 mm厚样品相比,动态磁滞回线横向变窄,所需磁场强度减小,矫顽力和磁能损耗值分别减小了26.4%和28.1%,振幅磁导率增大了11.7%。在一定磁密幅值下,TbDyFe合金的复磁导率实、虚部和振幅磁导率随频率增大,整体呈现出数值减小、减速变慢趋势;在高频高磁密条件下(f>5 kHz、B_m>0.06 T),厚度减小使TbDyFe合金损耗减小更为明显。

变温条件下TbDyFe合金高频磁特性和损耗特性分析

超磁致伸缩材料TbDyFe合金具有温度敏感特性,该文测量变温条件下TbDyFe合金在不同频率f和磁通密度幅值Bm时的动态磁特性曲线,结果表明,当励磁磁场频率f和磁通密度幅值Bm一定时,随着环境温度的升高(从10℃增加到80℃),振幅磁导率逐步增加,动态磁滞回线横向变窄,所需磁场强度减少,磁能损耗也逐步减少。在此基础上,针对现有损耗计算模型无法对温度进行有效表征,而导致损耗计算结果误差较大的问题,提出一种变温条件下磁致伸缩材料的高频损耗计算模型,模型通过引入温度有关项对损耗系数进行修正;并且综合考虑高频磁滞特性和趋肤效应的影响,引入损耗附加磁通密度项及损耗附加频率项,从而建立可以有效考虑温度效应的改进损耗计算模型,通过多组测量值及计算值的对比结果验证了该模型的准确性和可行性。

直流偏置对磁致伸缩材料高频动态损耗及磁特性的影响分析

直流偏置磁场会造成磁致伸缩材料磁滞回环的畸变与不对称,影响材料的损耗数值与磁滞特性,且现有的磁能损耗模型无法对变直流偏置磁场下的损耗进行准确的表征和计算,因此有必要研究直流偏置对磁致伸缩材料磁特性的影响规律及数学表述,这对提高大功率磁致伸缩器件的输出性能具有重要意义。该文在变直流偏置激励条件下,测试了Terfenol-D样品在不同交流激励频率和磁通密度幅值下的动态磁滞回线,发现了其变化规律并提取了损耗特性和磁滞特性参数;基于Bertotti损耗分离理论和实测数据,采用Levebverg-Marquard算法,建立计及直流偏置影响的磁致伸缩材料高频损耗计算模型,该模型采用多元参数回归方法,通过引入直流偏置相关项对损耗系数进行修正;多种工况下的损耗计算值与实验值对比分析表明了计及直流偏置影响的磁致伸缩材料高频动态损耗特性模型的准确性。

永磁直线电动机削弱齿槽力的槽极数配合分析

采用傅里叶分解得到永磁直线电动机齿槽力的解析表达式,在此基础上,研究了减小永磁直线电动机齿槽力的槽极数的最佳配合,并利用有限元软件Ansoft进行了仿真。仿真结果表明:槽极数互质时能有效地减小永磁直线电动机的齿槽力。

高频磁致伸缩换能器谐振频率特性分析与控制

本文研究了工作温度和负载变化对换能器谐振频率的影响规律并设计了反馈控制系统以实现谐振频率跟踪。首先基于磁致伸缩换能器机电等效电路,推导了以工作温度T和负载F为自变量的谐振频率计算模型,搭建了温度可控、负载可调的谐振频率测试系统;然后对实验测试数据进行分段线性拟合和曲面数值拟合,得到了满足线性相关度和曲面拟合优度要求的谐振频率关于温度和负载变化的二元函数模型,进而确定了谐振频率计算模型的相关参数;最后依据计算模型设计了反映温度和负载变化的频率跟踪反馈控制系统并测试了换能器输出特性,结果表明换能器的振动加速度幅值平均提高了31.11%,且谐振频率能跟随温度和负载的变化而自动调整,实现高效率稳定运行。

智能楼宇变风量空调系统的节能控制

论述了在充分利用智能楼宇设备资源及其智能化特点的基础上 ,对智能楼宇变风量空调系统进行节能控制 ,使其达到最佳的运行效果和节能效果的一些方法和思路 .在预冷阶段 ,采用神经元网络算法得出空调系统的最佳预冷期 ;在调节控制阶段 ,通过前馈方式提前调节控制量 ,进行对风量的变频调节 ;在提前停机控制中 ,结合估算和现场采样的方法 ,确定理想的提前停机时间 .通过物理仿真实验系统的验证 。

磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型

磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点,是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程,此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析,导致输出预测误差较大。该文首先搭建了磁致伸缩材料磁特性测试装置,测试分析了磁致伸缩材料Galfenol合金在不同压应力尤其是大幅值应力下的磁特性;然后基于Gibbs自由能推导了Galfenol材料的全耦合非线性本构方程,进而构建了考虑漏磁、非线性、机磁耦合及饱和效应的振动能量收集器的等效电路模型,并对等效电路模型进行了非线性数学表征和参数识别;最后基于Galfenol材料设计了一个可以承受大幅值振动力的双棒型振动能量收集器样机,通过实验研究了收集器输出电压在不同力幅值、力频率、负载阻值等工况下的变化规律。实验结果与模型的计算结果对比分析表明,所建立的全耦合非线性等效电路模型可以准确预测振动能量收集器的输出电压特性。

变压应力条件下铁镓合金棒材高频磁特性测试与模型构建

高频大功率磁致伸缩换能器件的输出特性与其所受的压应力密切相关,施加一定的压应力可以提高其核心元件磁致伸缩棒材的磁致伸缩系数,增大器件输出功率,而不合适的压应力会使得器件性能恶化。该文搭建了磁致伸缩材料高频磁特性测试系统,测量了磁致伸缩材料铁镓合金棒材在不同激励条件下(变压应力σ、变励磁频率f和不同磁场强度H)的动态磁特性曲线。结果表明,当频率与磁场强度一定时,随着压应力的增加,高频磁特性中振幅磁导率减小、动态磁滞回线纵向变扁、磁能损耗减少。针对传统磁滞模型无法计及压应力影响的问题,在现有静态J-A磁滞模型的基础上,计及涡流损耗和剩余损耗,并采用分数阶导数修正高频涡流场表达式,建立了高频动态磁滞模型,再引入压应力相关项修正模型参数,得到与外施压应力相关的改进高频动态磁滞模型。将实验数据与模型计算结果进行对比分析,结果表明,在变压应力和高频激励条件下,模型计算结果与实测值吻合较好,最大误差为5.86%,平均误差为3.29%,验证了模型的准确性与可行性。

三电平变换器SVPWM控制算法的优化

对二极管箝位型三电平变换器的SVPWM控制算法进行了研究,提出一种基于非正交120°坐标变换的SVPWM调制简便算法.该算法不仅具有60°坐标变换的优势还具有将三相空间电压标量化的优点,克服了传统SVPWM算法中涉及三角函数运算而导致运算量大的缺点.通过MATLAB7.0进行仿真实验验证了该算法的正确性和有效性.

直线永磁同步电动机伺服系统的滑模变结构控制

直线永磁同步电动机直接与负载相连接,外界扰动和系统参数变化将直接作用于负载,降低了电机伺服控制系统性能。采用滑模变结构控制结合电压矢量控制策略来补偿伺服控制系统,并建立了基于MATLAB/Simu-link仿真模型,验证了控制策略的正确性。