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基于线性磁致伸缩结构的振动控制致动器

摘要

Terfenol-D是具有将能量转换成机械运动的属性的多种磁致伸缩材料中的一种，且具有磁致伸缩逆效应。我们设计和制造的线性磁致伸缩致动器（MSA）中用到Terfenol-D作为控制装置。为了掌握致动器的动态特性，进行了一系列的实验和数值测试。致动器的致应变促动位移由试验测定，并和用磁场分析预计的一致性高。根据所输入的电流，从该测试结果估计了阻力。建模方法表示致动器的施力由一些测试结果证实。我们还探讨了线性MSA作为结构控制装置的可行性。一系列的数据和实验测试是由每一端只有简支铝制梁的驱动器进行。用有限元方法获得受控系统的运动方程的后，进行一种优化模式，可以降低自由度的数目。在线性二次反馈控制器实时数字控制系统上实现了阻尼梁的前四个弹性模式。经过这些测试，我们证实了致动器的能力，可以用来控制梁状结构。

简介

基于压电效应驱动器适用于主动振动控制，因为它们有很宽的频率范围和相对高的驱动力。有两种类型的压电致动器常用。在振动控制中，施加在一个简单的机械结构的压电片已被证明非常有效。但通常使用的压电贴剂，其被结合或集成在结构中，位置是一个重要的问题。利用压电堆致动器有助于避免这些缺点。堆叠式执行机构主要使用在诸如卫星大型空间结构的控制上。梅尔滕斯和沃勒已经研究了铝板带压电堆叠式致动器的振动主动控制。

作为另一种堆叠式致动器，磁致伸缩致动器（MSA）主要是使用超磁致伸缩材料，如TERFENOL-D。 TERFENOL-D可以产生更大的力；反应快速；高精度的位移；高效率；和高功率水平。这种材料还具有其他显着的特性，即实用价值，包括：

• 高的磁耦合能力，从而实现磁到机械能的高效率转化，
• 高承载能力，
• 高压缩强度，
• 在静态和动态加载的耐受性，
• 可在低电压操作，
• 高可靠性和无限的生命周期。

因此，最近对MSA的研究已在很多应用领域进行。在欧洲委员会资助的项目MADAVIC（磁致伸缩致动器的损伤分析与振动控制）中，已开发出六致动器的原型。迈尔和色斯曼基于线性结构方程的两个分析模型开发了一个有特色的MSA及动态行为。此外，对于MSA的控制方式已经找到，这不仅稳定了磁致伸缩棒的数学模型，同时也带动了一个优秀的追踪行为。张先生等人已经制成了大型振动主动控制磁致伸缩致动器，并进行了一些实验，取得了较好减振效果。

在这项研究中，线性MSA使用Terfenol-D来设计和制造控制装置。已经进行了一系列的实验和数值测试掌握了执行器的动态特性。线性MSA的感应应变位移已经测定，并根据该输入电流，用磁场分析预测从测试结果估计的阻力。线性的MSA作为结构控制设备的有效性也已探讨。一系列的数据和实验测试是由每一端只有简支铝制梁的驱动器进行。在线性二次反馈控制器实时数字控制系统上实现了阻尼梁的前四个弹性模式。经过这些测试，我们证实了致动器的能力，可以用来控制梁状结构。

设计和制造MSA

Terfenol-D是铽，镝和铁金属的合金。在技术应用方面，Terfenol-D是一种能够高效的从一种形式能转换到另一种形式能的固态传感器。在电 - 机械转换的情况下，该材料的磁致伸缩产生的应变比传统磁致伸缩的20倍还要大，而且比传统的压电陶瓷大2-5倍。

在这项研究中，使用的Tb0.3Dy0.7Fe1.9的Terfenol-D是ETREMA产品公司生产的。所述的Terfenol-D的物理性质总结在表1中。线性MSA概念性设计如图1。

线性MSA由一个用于产生磁场的电动线圈的内侧的Terfenol-D棒和一个用来引起偏磁致的环形永久磁铁包围。上述的Terfenol-D棒，线圈，磁铁被组装在两个钢-垫圈（端板）之间。我们选择用直径25毫米和长100mm商业磁致伸缩棒。为了详细设计MSA，必须确定某些参数，如预应力水平，磁偏置线圈的尺寸，等等。Terfenol-D的磁致伸缩S是机械压缩预应力T_P，磁场强度H，以及温度t的函数。上述的室温下的Terfenol-D棒的磁致伸缩由如图2所示的不同预应力水平磁场强度的函数的实验中获得。最大磁致伸缩发生在预应力水平7MPa处，其曲线几乎水平。因此，确定7MPa的预应力水平。该值是使用特定弹性的324kN/m刚度实现。无论磁场极性，Terfenol-D只能提供正应变。为了获得正面和负面的应变，偏磁H_b是必需的。这种偏置作用可以通过永磁体来提供，从而最大限度地减少电气偏置电流的需求，以降低功耗要求。从图2考虑，合适的偏磁强度约为20kN/A。螺线管线圈缠绕在杆上，围绕杆产生扩张或收缩响应，导致成比例，主动的，且可重复的正或负磁场方向的扩张。非线性磁场分析，采用有限元方法，来决定线圈的匝数，永久磁铁和端板的厚度，等。图3和4分别显示了在由铁素体永久磁铁引起的Terfenol-D棒和线圈典型的磁场强度。

在零外部负载的致动器位移通常被称为“自由行程”。致动器自由行程的测量给出的诱导应变致动器位移，即u_ISA的值。u_ISA值是各种固态致动器的整体性能参数中的一个。因此，设计MSA的u_ISA是用简单的线性磁场分析理论预测。如图5所示，可以假设由线圈和工作电流引起的磁路径。该路径由两个循环组成，内环的Terfenol-D棒与端板和永久磁铁;和外环的端板和空气。每个图5表示的参数在下面的等式定义：l_T=l₄,l₁=l₃=l₅=l₁₀=w_h/2,l₆=l₈=w_p/2,

l₂=l₉=d_T/2 w_c w_p/2,l₇=pi;(l₃ l₄ l₅)/2, (1) 其中，在端板的厚度是W_H=8毫米，永久磁铁的厚度w_p=11mm，线圈厚度W_C=12mm，杆的直径d_T=25mm，并且杆的长度L_T=100mm。采用电项目一个等价磁路可以代替图5的磁路。

表1 Terfenol-D的物理性能

Terfenol-D

铁

卷

永磁体

图1 线性磁致伸缩执行器的概念设计

应变(ppm)

H(KA/m)

图2磁致伸缩随磁场强度变化情况

棒轮廓[mm]

H_PM[KA/m]

图3由永久磁铁引起的Terfenol-D棒磁场强度

棒轮廓[mm]

H_PM[KA/m]

图4由线圈中感应引起的Terfenol-D棒磁场强度

图5线圈感应磁路

图6等效磁路

在图6中，N和I分别代表线圈匝数和输入电流，它们和等效电阻可以由以下方程获得：

R_i=l_i/mu;_iA_i (2)

其中mu;_i是磁体渗透性，A_i是等效面积，A_i被表示为：

A_T=A₁=A₁₀=pi;d_T²/4,A₂=A₉=pi;w_hl₂,A₃=A₄=A₅=4pi;l₂l₆,A₆=A₈=pi;w_h(2l₂ l₆),

A₇=pi;(l₂ l₆)(r_b-r_a) 2(r_b²-r_a²),r_a=l₄/2-w_p,r_b=l₄/2 w_h w_p (3)

假设不存在磁损耗，麦克斯韦方程所用的以下方程来表示：

NI==H_Tl_T R_yA_Tmu;_TH_T （4）

图7 制造完成的线性磁致伸缩致动器

式中H_T，A_T，及m_T的分别表示杆磁场强度，棒的截面面积，和该杆的导磁率。因此它可以从下面的等式计算：

H_T= (5)

其中，是诱导应变致动位移和是在图磁偏置点的斜率，图1来自方程 （4）和（5），可以由以下得到：

(6)

每个电流的uISA从等式(6)预计将有9.57/A。

通过这些研究，选定铁氧体永久磁铁的厚度为11mm，线圈直径1.0mm，在工作5.0电流下进行700次通电，及钢板的壁厚8mm。基于该分析结果，该线性MSA被按如图7所示制造。

动态特性检测

所制作的线性MSA的位移特性通过实验测试研究。图8表示实验装置，用于测量感应应变致动器位移，。MSA完全固定在刚性结构上，非接触式间隙传感器则被安装到测量位移的尖端如图 8所示。在0.5A的间隔直流（DC）输入下，测得的如图9所示。该结果说明，输入电流有高达3A的近线性特性，斜率为9.17mm/A。

图8 测量位移的实验装置

位移(mu;m)

电流(A)

图9 DC驱动条件下的MSA诱导应变器位移

该值与在第2节理论预测值（9.57mm

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