● 摘要
超磁致伸缩执行器（Giant Magnetostrictive Actuator，GMA）是一类以超磁致伸缩材料为驱动核心的高精度微位移执行机构，能实现磁（电）能与机械（声）能之间的转换。这类执行器相比于传统微位移执行器具有响应速度快、输出位移大、控制精度高、可靠性高和输出力大的优势，因此在高新技术和精密控制领域受到了极大重视。然而由于超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Materials, GMM）所具有的压力效应、倍频效应、非线性和温度影响大等特点，所以必须针对特定的应用需求进行GMA的优化设计，才能充分发挥GMM大位移、高精度、大功率、快速响应的特性。
本文在GMA驱动磁场的研究中分析了螺线管几何参数与磁场分布的关系，揭示了螺线管长径比对磁场不均匀度的影响规律，得到了驱动螺线管的优化方案，实现了影响磁场强度和不均匀度的控制，保证了GMM性能的充分发挥。在偏置磁场的研究中，建立了基于永磁环偏置系统的磁路模型，明确了影响偏置磁场不均匀度主要因素，通过控制和利用内部漏磁，获得了一种基于三永磁环结构的偏置磁场设计方法，解决了常规GMA设计中大长径比GMM难以获得均匀偏置磁场的问题，实现了在大长径比GMM应用中偏置磁场不均匀度小于5%的设计。
传动机构部分的研究中，借助有限元分析工具，设计了一种振膜式预压力机构，实现了预压传动一体化，避免了零件间的摩擦和间隙以及输出杆的抖动，提高了GMA的动态稳定性。另外，基于超大位移的应用领域的需求，研发了一种带有柔性铰链“十”字梁放大机构的GMA，解决了常规GMA在100 Hz以上工作时难以获得大位移输出的问题。实验测试结果证明，这种放大机构能有效的将GMA输出位移放大2.68倍，同时在130 Hz内依然能保持140 μm较稳定的输出，改善了已有GMA输出位移随频率增加迅速降低的现状，从而拓展了GMA的应用范围。
对应用于石油助采装置的大功率GMA的研究中，从大功率这一特征出发，通过设计螺线管线径、匝数和几何外形得到一个相对平衡的结果，解决了螺线管匝数和输入电流大幅度增加带来的发热功率大的问题；在建模分析和有限元模拟的基础上设计了一种分段型偏置磁路，解决了GMM尺寸较大空间有限时偏置磁场的磁路设计难度大的问题。实现了GMM有效尺寸达300 mm的大功率GMA的设计，并用该GMA驱动声辐射器使之工作在预设的谐振频率上。