基于GMM驱动器的三柱塞高频微小泵的基础研究

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在液压传动及控制领域中,稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简写为GMM)以其频响高、输出力大、带载能力强的特点,在被发现之后立刻吸引了各国学者的研究,并将其作为驱动元件应用于液压领域;通过其可以直接把电能转变成机械能,能够很好的解决传统泵效率低、输出流量大、易损件寿命低、冲击噪声大等弊端,在流体传动领域具有广泛的研究意义。本文在超磁致伸缩材料优良特点的基础上,设计了一种以超磁致伸缩转换器(Giant Magnetostrictive Actuator, GMA)为动力元件的三柱塞腔式微小泵。通过理论分析超磁致伸缩驱动器,搭建其静态、动态数学模型及AMESim建模仿真,得出的仿真结果显示GMA的阶跃上升时间只有0.197ms,输出力达到1467N,位移输出为96.55μm,通过分析可知本文设计的GMA响应速度非常快,位移和力的输出大,完全能满足高频微小泵对驱动元件的设计要求。在本文设计的GMA的基础上,以提高微小泵的响应速度和自吸能力为目的,提出了基于GMM驱动器的三柱塞高频微小泵。通过理论分析、有限元分析、AMESim建模仿真等方法综合分析和研究了三柱塞高频微小泵的总体结构、数学模型、液力端结构以及各项参数,得出了影响其工作性能的主要因素;利用ANSYS软件对GMA的激励磁场进行有限元分析,确定了最合理的磁回路材料和搭配间隙,优化了整个磁回路结构;通过分析研究结果可知:设置合理的驱动频率、阻尼系数、负载压力和等效质量都可以提高三柱塞高频微小泵的输出流量。在300Hz的驱动频率下,基于GMM驱动器的三柱塞高频微小泵的稳态输出流量为1.035L/min、阶跃响应上升时间为0.297ms、稳态调整时间Ts=1.45ms,泵腔内外最大压强差为1.958Mpa,自吸高度可达2.835m。由上述可知,本文设计的基于GMM驱动器的三柱塞高频微小泵具有响应速度快、自吸能力强、流量输出稳定等优点,能够满足流量精密控制和无须提前灌泵等工作要求,可应用在国防、医疗、农林等领域。
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