超磁致伸縮驅(qū)動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著天文觀測技術(shù)和空間探測技術(shù)的飛速發(fā)展，對大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的精度提出了越來越苛刻的要求。為此，拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，而該技術(shù)的核心部件是拼接子鏡的微位移驅(qū)動器。微位移驅(qū)動器性能的好壞，將直接關(guān)系到天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的精度?，F(xiàn)有的微位移驅(qū)動器，不能同時(shí)滿足位移量大、控制精度高、負(fù)載能力強(qiáng)三項(xiàng)驅(qū)動需求。針對這一挑戰(zhàn)，在已有的對于微位移驅(qū)動器以及超磁致伸縮驅(qū)動器的研究基礎(chǔ)上，本論文研究面向大型天文望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用需

2、求，在設(shè)計(jì)一種驅(qū)動位移大、控制精度高、負(fù)載能力強(qiáng)的超磁致伸縮微位移驅(qū)動器(簡稱GMA)方面進(jìn)行了探索。本論文針對未來實(shí)現(xiàn)GMA輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)，主要在磁致伸縮非線性磁滯特性有限元建模和驅(qū)動仿真方面進(jìn)行了研究探索，并進(jìn)行了驅(qū)動器優(yōu)化設(shè)計(jì)嘗試。這些工作為未來實(shí)現(xiàn)GMA高效設(shè)計(jì)奠定了良好的理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐基礎(chǔ)。本文的主要內(nèi)容包括：第一章：首先介紹了大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的組成以及天文望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動器的發(fā)展現(xiàn)狀，接著根據(jù)研究需要介紹了材料的發(fā)展歷程

3、及GMA的研究現(xiàn)狀，最后在總結(jié)GMA在我國的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀以及材料磁滯非線性模型發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，說明了論文的研究意義及主要研究內(nèi)容。第二章：總結(jié)了材料磁致伸縮的基本原理，材料的一些基本特性，并給出了表征材料特性的最重要的幾個參數(shù)。隨后，搭建材料特性測試實(shí)驗(yàn)平臺，對材料重要性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測定，為后續(xù)GMA的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。第三章：首先，討論了驅(qū)動器內(nèi)部勵磁線圈和偏置磁場的磁路模型，隨后基于畢奧—薩伐爾定律和鐵磁學(xué)基本理論，對勵

4、磁線圈和偏置圓筒永磁鐵的軸線磁場建立了數(shù)學(xué)模型。隨后采用MATLAB編程計(jì)算了勵磁線圈和偏置永磁套筒軸線上的磁場分布。針對數(shù)學(xué)模型不能充分反映驅(qū)動器材料和結(jié)構(gòu)尺寸的選擇對驅(qū)動器電磁性能的影響，采用電磁場有限元分析方法，在ANSYS軟件中對驅(qū)動器進(jìn)行了電磁場仿真計(jì)算，充分討論了材料和結(jié)構(gòu)對驅(qū)動器磁場性能的影響，為第五章的驅(qū)動器詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。第四章：針對GMA的磁滯非線性特性進(jìn)行建模，推導(dǎo)了電磁、機(jī)械兩個物理場的弱解形式的方程，根據(jù)第

5、二章給出的線性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了適用于有限元求解的形式，同時(shí)采用Jiles-Atherton模型描述材料的磁滯回特性。隨后，采用COMSOL Multiphysics軟件對前面建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了建模實(shí)現(xiàn)，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該模型的正確性，并討論了模型的不足與改進(jìn)。第五章：根據(jù)前面三章給出的驅(qū)動器設(shè)計(jì)的優(yōu)化準(zhǔn)則，給出了帶永磁偏置和無永磁偏置的兩種GMA的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了驅(qū)動器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造。隨后對驅(qū)動器進(jìn)行了靜、動態(tài)特性測試，