摘 要

超磁致伸缩材料作为一种高性能的智能材料，它所特有的性质使其受到了大量的关注，巨大的应用前景也使其进行了不少前瞻性的研究。超磁致伸缩致动器便是此类材料的应用的延伸，国内外学者已经开展了不少与其相关的研究工作，并取得了众多的成果。然而，在超磁致伸缩致动器应用于流体领域方面，大部分的研究都集中在关于流量控制阀的设计方面，对于超磁致伸缩泵的研究 工作进行的不多，相关的实验研究更是很少。本文旨在进行实验研究，测得相关数据，提供更多的超磁致伸缩泵研究数据，从而使其得到进一步的研究与发展。本文围绕超磁致伸缩泵进行了以下研究工作：

（1）提出一种超磁致伸缩泵的设计结构，给出其相应的计算说明；设计出一种利用销螺母与弹簧组合而成的预压力机构，通过调节销螺母扭转圈数来控制预压力的大小；设置偏置磁场，并通过ANSYS有限元分析进行验证与指导；设计出内外双层铜管的水冷却机构，控制系统的工作温度；对泵体进行了必要的密封工作。

（2）进一步研究了超磁致伸缩泵的输出特性关系，通过集总参数建模的方法建立超磁致伸缩泵的磁机耦合计算模型，求到了驱动电流与输出位移的传递函数关系方程，并进行合理的模型假设，得到了系统的驱动电流与输出流量的传递函数关系方程，即为系统的流量模型。接着使用MATLAB工具进行频率特性分析与阶跃响应分析，总结出了增大工作频宽和输出流量的措施。对悬臂梁式单向阀进行仿真分析，进一步了解它的输出特性，完善对其的特性分析。

（3）组装出超磁致伸缩泵的实物，搭建起实验平台，进行了超磁致伸缩泵的实验研究。在超磁致伸缩致动器的位移实验中，证明了GMM材料所具有的磁滞特性，得到了要取得最大输出位移应当取的电流值范围。在超磁致伸缩泵的流量实验中，分析了驱动电流频率、波形与输出流量之间的关系，得出了最佳输入条件下的最大输出流量值。

关键词：超磁致伸缩泵；流量模型；仿真分析；实验研究

Abstract

Giant magnetostrictive materials, as a kind of high performance intelligent materials, its unique properties make it get a lot of attention and the great application prospect also make it to be carried out many prospective study. Giant magnetostrictive actuator is the extension of the application of such materials. Domestic and foreign scholars have conducted a lot of relevant research, and obtained many achievements. However, in the giant magnetostrictive actuator used in fluid field, most of the studies are concentrated on the flow control valve ,at the same time for super magnetostrictive pump research work is not much and experimental research is very few. This paper’s aim is that measuring data at the experimental study to provide more data for the study of giant magnetostrictive pump, so that it can be further research and development. In this paper, the following research work is carried out around the giant magnetostrictive pump:

(1) Putting forward a super magnetostrictive pump structure design and giving the corresponding calculation; designing a pin nut and spring combination and the pre pressure mechanism, through the adjusting pin nut torsion loop to control the number of the size of the pre pressure; setting the bias magnetic field and by ANSYS have finite element analysis of verification and guidance; designing the inner and outer layer of copper water cooling mechanism, controling the working temperature of the system; on the pump body were sealed the necessary work.

(2) Further studying the super magnetostrictive pump output characteristics, through ultra magnetostrictive pump magnetic mechanical coupling calculation model is established based on the lumped parameter modeling method, for the drive current and output displacement transfer function equation, and reasonable assumptions, obtains the transfer function of system of the drive current and output flow, and it’s also the flow model of the system. Then use matlab frequency characteristic analysis and the order step response analysis, summed up the measures to increase bandwidth and output flow. The cantilever beam type check valve is simulated and analyzed, and its output characteristics are further understood.

(3) Producing magnetostrictive material processing pump, setting up the experimental platform and starting the experimental study of giant magnetostrictive pump. In the displacement experiment of the giant magnetostrictive actuator, it is proved that the hysteresis characteristic of the GMM material and get the maximum output displacement which should be taken to the current value range. The relationship between the driving current frequency, the waveform and the output flow is analyzed in the experiment of the flow rate of the giant magnetostrictive pump and obtain the maximum output flow rate under optimal input conditions.

Key Words: Giant magnetostrictive pump; flow model; simulation; experimental study

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 超磁致材料性能与应用 1

1.2.1 超磁致材料 1

1.2.2 超磁致材料性能 2

1.2.3超磁致材料应用 4

1.3 超磁致伸缩泵国内外研究现状 7

1.3.1国外研究现状 7

1.3.2国内研究现状 9

1.4研究内容与研究意义 10

第2章 超磁致伸缩泵结构设计 11

2.1超磁致伸缩泵结构设计方案 11

2.1.1结构与工作原理 11

2.1.2 设计考虑因素 12

2.2 GMM棒的几何参数设计 13

2.3预压力机构设计 15

2.4 偏置磁场设计 17

2.5 驱动线圈的设计 20

2.5.1 线圈长度 20

2.5.2 线圈线径 22

2.5.3 线圈内外径 23

2.6 冷却系统设计 24

2.7 密封设计 25

2.8 本章小结 26

第3章 超磁致伸缩泵的流量模型与仿真分析 27

3.1超磁致伸缩泵的流量模型 27

3.1.1超磁致伸缩致动器的输出位移模型 27

3.1.2 超磁致伸缩泵理论流量计算模型 31

3.1.3 关键参数对流量影响的分析 32

3.2 悬臂梁式单向阀的仿真分析 36

3.2.1 仿真过程与结果分析 36

3.3 本章小结 38

第4章 超磁致伸缩泵实验特性分析 39

4.1 样机组装 39

4.2 实验平台搭建 40

4.3 超磁致伸缩致动器的输出位移实验 41

4.4 超磁致伸缩泵的流量实验 45

4.5 本章小结 47

第5章 总结与展望 48

5.1 总结 48

5.2 展望 49

参考文献 50

致谢 52

第1章 绪论

1.1 研究背景

20世纪是液压技术从开始兴起到不断成熟的时代。液压技术通过将液体作为传递媒介的介质，从而达到传递、转化和控制其所包含的信息、运动以及能量的目的^[1]。作为最主要的三大传动与控制方式之一，它具备功率密度高、结构小巧、配置灵活、动态性能好、易于实现直线运动等独有的技术优势，且已经成功地被应用于一切对运动过程需要进行灵活控制与调节的大、中功率型的机械设备当中，随着时代的发展而不断的得到更为广泛的应用 ^[2]。

随着传统液压传动技术的发展，现代液压系统的研究更加倾向于朝着微小型化、节能化与流量精密可控化的方向发展。液压泵属于整个系统的核心部分，它的工作性能同整个工作部件的表现息息相关。特别是随着军工、航天、机器人、计算机控制等领域的飞速发展，传统的液压系统已经不能满足高精度、快速响应等要求，因而使微机电系统MEMS (Micro Electro Mechanical System)此类具备独特优势（诸如可以在微小空间内进行作业且又不对周围环境与服务对象造成影响）的系统在航空航天、生物医疗等范围具有广阔的应用潜力，获得更多的发展展望^[3]。近年来，通过对MEMS的深入研究与流体理论的不断成熟，也使得微流体系统MHS(Micro Hydraulic System)得到长足的进步。超磁致伸缩材料GMM（Giant Magnetostrictive Material），它将凭借性能优良的优势，在微流体领域的研究应用中体现出重要的价值。

1.2 超磁致材料性能与应用

1.2.1 超磁致材料

当铁磁质料或亚铁磁质料处在不同的磁场中，它们将会被磁场所同化，同时它们的外形都会随着磁场的不同而发生相应的变化，此类现象被统称为磁致伸缩现象。英国著名的物理学家焦耳在19世纪40年代最先发现金属镍（Ni）会在不同的磁场中发生微小的形变位移，所以又将此类现象称之为焦耳效应^[4]。虽然在磁场中超磁致伸缩材料本身的形状与大小都会随着磁化状态发生变化而发生变化，但相比之下长度的改变比形状的改变会更加明显，因而这种被称之为线性磁致伸缩的现象成为了对此种材料探索的重点。

由于镍在磁场作用下的磁致伸缩变化量级和铁类材料的热膨胀系数相类似，均10^-5～10^-6℃左右，这就导致其应用在当时受到很大的限制^[5]。上世纪中叶，人们发现稀土材料在磁场中展现出了许多不同于常规金属的性能，从而使得磁致伸缩实际应用具备了初步的可能性。