用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速(10~4 rpm)的启动时间为36.9 min。     

基于声流的非接触超声电机理论分析与试验研究

针对传统超声电机存在严重的摩擦磨损及难以长时间连续工作的问题,本文中基于声流原理设计了1种新型的非接触式超声电机.建立电机定子谐响应有限元分析模型,获得其工作频率及结构振型,并对悬浮间隙内的声流场进行建模,采用雷诺应力法求解声流场驱动力,分析不同激励电压下转子转速以及驱动力的变化规律.为验证模型的合理性,搭建试验测试系统并进行性能测试对比分析.结果表明,该电机在声流驱动下能够稳定地运转,转速随着电压的升高而单调上升,驱动电压为1 430 V时,转子转速可以达到28 r/min.理论结果与试验结果具有较好的一致性,验证了模型的合理性.     

压电叠堆泵及混合驱动器的设计

压电叠堆泵是一种以压电叠堆作为驱动元件的小型泵.压电叠堆本身输出力大且响应快,但自身变形极小无法满足同时需要高驱动力和大位移的场合.为了解决这个问题,人们提出了一种液压传动和压电驱动技术相结合的压电叠堆泵驱动器的混合驱动系统,以期获得较大的运动行程和驱动力,将压电泵输出与液压缸相连便组成了一个基本的混合驱动器.以此压电叠堆泵作核心的混合驱动器有望被应用在飞机自适应后缘结构和无人飞行器的操作舵面上.介绍了压电叠堆泵及混合驱动器的设计和性能测试,分析了泵的腔体、薄膜厚度、活塞直径、单向阀类型对流量、输出压力、液压缸的力输出的影响.加工的实验样机在0～200 Hz的工作频率范围内完成测试,泵的最大输出流量350 ml/min,最大输出压力为500 kPa.使用φ16 mm液压缸直线驱动器的最大输出力95 N,最大伸长速度19 mm/s.     

真空低温环境下超声马达驱动特性研究― 空载特性

利用自制的一套真空低温超声马达摩擦驱动特性测试系统,选取了4种工程塑料作为超声马达转子摩擦材料,测试出超声马达在真空低温环境下的空载转速,研究了真空度、环境温度和摩擦材料等因素对行波超声马达空载特性的影响.结果表明,随着真空度的增加,马达的空载转速下降;随着环境温度的降低,马达的空载转速下降.比较了所选4种工程塑料的驱动特性,筛选出一种在真空低温环境下空载特性较好的超声马达转子摩擦材料.     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

一种双质量硅微陀螺仪

双质量块结构形式的硅微陀螺仪能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响。利用结构解耦方法设计了一种新型的双质量双线振动式硅微机械陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,通过简化的动力学方程,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,并利用Ansys有限元软件对陀螺的驱动和检测模态进行了数值仿真。仿真结果表明,该陀螺结构设计能够实现驱动和检测模态的完全解耦,从而验证了设计思想的正确性。通过仿真,得到了驱动和检测模态的仿真频率值。在对微陀螺加工所采用的加工工艺进行简单介绍后,对加工出的硅微机械陀螺仪样品的模态频率值进行了电路测试。由于加工误差的存在,实验得到的驱动和检测频率值与仿真设计值存在1.6%的误差。最后在转台上对样品的标度因数进行了测定,得到了该双质量硅微陀螺仪的标度因数为2.518mV/((°)?s-1)。     

温度梯度与缺陷共同作用下的双壁碳纳米管持续驱动器件

纳尺度驱动因其在能量转换、物质输送等众多领域的潜在应用得到广泛关注，但实现长程持续驱动依然在原理上面临重大挑战．本文借助双壁碳纳米管的层间范德华相互作用，以热梯度力为基本动力，利用外管缺陷对层间热梯度力的调控作用，提出了一种新型的纳尺度可控持续驱动原理．其基本机理是：外管在周期性缺陷和温度场共同作用下形成周期性的非对称温度梯度，在内管上产生周期性的非对称热梯度力，使得每个周期（驱动单元）上都存在净驱动力，从而推动内管实现长程持续运动．同时，内管的运动方向或速度可通过外管上的控温区域或温差控制．     

深海采矿机构转臂动力学建模与力学分析

深海采矿机构多关节转臂运动时受到海洋水动力作用,转臂驱动油缸力矩与变幅机构驱动力受到影响。分析了深海采矿机构转臂受水动力的影响,建立采矿转臂在调整采矿姿态时的动力学模型。基于采矿机构特定转臂尺寸实例,得出了关节驱动力矩与变幅机构油缸驱动力曲线,以及基于ADMAS模型关节驱动力矩曲线。通过对采矿转臂进行动力学数值求解与仿真分析,验证其动力学方程的正确性。     

DYNAMIC MODEL AND MECHANICAL ANALYSIS OF THE ROTATING ARM OF THE DEEP SEA MINING MECHANISM1)

深海采矿机构多关节转臂运动时受到海洋水动力作用,转臂驱动油缸力矩与变幅机构驱动力受到影响。分析了深海采矿机构转臂受水动力的影响,建立采矿转臂在调整采矿姿态时的动力学模型。基于采矿机构特定转臂尺寸实例,得出了关节驱动力矩与变幅机构油缸驱动力曲线,以及基于ADMAS模型关节驱动力矩曲线。通过对采矿转臂进行动力学数值求解与仿真分析,验证其动力学方程的正确性。     

仿生推进装置翼盘变速运动的数值仿真与试验研究

根据水母游动原理扩展设计了一种仿生推进装置,该装置以曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体、两端仿生合页式翼盘,实现大行程直线往复运动的仿生推进.在数值分析的基础上,根据仿生推进装置运动的特点,运用直线位移与拉压力传感器,对翼盘在水中运动时的推进力及运动位移进行测试和数据采集.考虑运动过程中翼盘速度变化,运用FLUENT软件对不同张角的翼盘产生的推进力进行数值仿真.通过仿真与试验分析,并以推进力最大化为原则,确定了翼盘最大张角为160°,推进力仿真值与实际测试值基本吻合,初步验证了所提出仿真方法准确性.     

Analytic expression of magnetic field distribution of rectangular permanent magnets

From the molecular current viewpoint, an analytic expression exactly describing magnetic field distribution of rectangular permanent magnets magnetized sufficiently in one direction was derived from the Biot-Savart’s law. This expression is useful not only for the case of one rectangular permanent magnet bulk, but also for that of several rectangular permanent magnet bulks. By using this expression, the relations between magnetic field distribution and the size of rectangular permanent magnets as well as the magnitude of magnetic field and the distance from the point in the space to the top ( or bottom ) surface of rectangular permanent magnets were discussed in detail. All the calculating results are consistent with experimental ones. For transverse magnetic field which is a main magnetic field of rectangular permanent magnets, in order to describe its distribution, two quantities, one is the uniformity in magnitude and the other is the uniformity in distribution of magnetic field, were defined. Furthermore, the relations between them and the geometric size of the magnet as well as the distance from the surface of permanent magnets were investigated by these formulas. The numerical results show that the geometric size and the distance have a visible influence on the uniformity in magnitude and the uniformity in distribution of the magnetic field.     

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

Magnetically rotational reactor for absorbing benzene emissions by ionic liquids

A magnetically rotational reactor （MRR） has been developed and used in absorbing benzene emissions. The MRR has a permanent magnet core and uses magnetic ionic liquid [bmim]FeCl4 as absorbent. Benzene emissions were carried by N2 into the MRR and were absorbed by the magnetic ionic liquid. The rotation of the permanent magnet core provided impetus for the agitation of the magnetic ionic liquid, enhancing mass transfer and making benzene better dispersed in the absorbent. 0.68 g benzene emissions could be absorbed by a gram of [bmim]FeCl4, 0.27 and 0.40 g/g higher than that by [bmim]PF6 and [bmim]BF4, respectively. The absorption rate increased with increasing rotation rate of the permanent magnet.     

低转矩波动精密离心机直接驱动系统

—本文在永磁电机多极化和磁场正弦化设计的基础上，采用单片跟踪型轴角数字转换器（ＲＤＣ）——２Ｓ８０构成了无刷直流电动机直接驱动系统，重点分析了２Ｓ８０抑制转矩波动的机理。实验表明，该系统满足了精密离心机对其驱动系统大转矩、低转矩波动的要求     

Interaction of a magnetic liquid with a conductor containing current and a permanent magnet

The present study investigates the force exerted by a magnetic liquid on a conductor with a current or a permanent magnet located near its infinite free surface. It is shown that this force is equal to the weight of the liquid raised by the magnetic field above the original horizontal level. The force is found for the cases when the liquid is weakly magnetic and when the shape of its surface differs little from plane. Consideration is given to the equilibrium of a magnet suspended on a small spring near the surface of the magnetic liquid. The critical height is found at which the magnet ceases to be held by the spring and is torn off into the liquid. The experimentally obtained values of the magnitude of of the force acting on the magnet and the height of collapse of the magnet into the liquid are in good agreement with the theoretical results.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 2, pp. 176–181, March–April, 1988.The authors are grateful to V. V. Gogosov for valuable discussion of the study.     

基于永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性研究

在本文中初步探讨了一种永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性,以期获得一种对固定目标区域精准支撑与润滑的方法,并实现低摩擦. 以3D打印树脂材料为基底,在其表面嵌入正方形点阵排布的永磁环阵列,分别在各磁体表面注入特定体积的磁流体,使其在各永磁环表面形成封闭的液体结构. 采用自行设计的支撑力测试系统及往复式摩擦磨损试验机分别对该液体结构支撑及润滑性能进行测试. 结果表明:在磁场作用下的磁流体,除自身磁化和内聚产生液体支撑力外,被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力;而对于该磁环阵列结构而言,被吸附于其表面的磁流体支撑能力随着磁铁间距的增加而减小,并逐渐趋于稳定,同时磁极排布方式对支撑力也会有所影响;当磁流体密封结构的支撑能力大于外载荷时,即摩擦对偶完全被磁流体支撑,此时可获得0.005的低摩擦系数. 可见该磁流体液环密封结构所形成的液-气混合支撑力显著高于单一液体支撑,而磁环阵列结构可进一步提升总体支撑能力,当该支撑力高于负载时可避免摩擦副间的直接接触,在静止或低速状态下实现低摩擦. 该研究结果对于解决精密低速滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象具有一定应用价值.      

Energy harvesting from a magnetic levitation system

Numerical and experimental studies of a magnetic levitation harvester are presented in the paper. The idea is based on the motion of permanent cylinder magnet in a coil exploited for energy harvesting. The novel model is based on a new definition of the coupling coefficient (inductive coefficient) which relates mechanical and an electrical components. The performed static and dynamics experimental tests show that this coefficient is a nonlinear function of the magnet position, and highly depends on the magnet coordinate in the coil, in such a way that the maximum energy is obtained in a coil ends. The comparison between classical – fixed value model – and novel nonlinear model of the inductive coefficient is presented for selected cases. The most essential differences are presented.     

爆炸去磁脉冲功率发生器的实验和理论计算

设计了两种结构的爆炸去磁脉冲功率发生器:炸药透镜平面波冲击加载圆柱形磁体和中心装药冲击加载圆环形磁体，磁体材料都采用Nd2Fe14B永磁体。进行了爆炸冲击加载实验，测量了爆炸去磁脉冲发生器的输出电流、电压以及Nd2Fe14B永磁体中的冲击波速度。通过对爆炸去磁脉冲功率发生器基本原理的分析，建立了感生电动势的理论计算方法。用Maxwell 3D电磁场分析软件，对Nd2Fe14B永磁体进行了静磁场分析，给出了Nd2Fe14B永磁体的磁场强度分布规律。实验结果表明:爆炸去磁脉冲功率发生器每匝线圈能够产生约67 V的感生电动势,对于0.56 H的电感负载能够输出脉宽78.3 s、峰值1 212 A的脉冲电流。     

超导电磁悬浮力的数值模拟

利用超导体宏观电磁场的Kim模型对高温超导体－永磁铁悬浮系统中二才之间的电磁悬浮力进行了定量计算与模拟。通过与已有实验结果比较表明：对超导悬浮力的数值模拟能较好地反映悬浮力的主要特征。在此基础上，给出了超导体内屏蔽电流，铅直悬浮力和面内电磁力的分布情况，数值仿真结果显示了悬浮力的大小与永磁铁的表磁强度和尺寸有关。这些结果为提高超导悬浮力和改进超导宏观电磁场模型提供了理论依据。     

爆炸式电磁感应脉冲发生器

为了探索脉冲发生器新的技术方法,在传统脉冲发生器的基础上,提出了一种依靠爆炸驱动的电磁感应脉冲发生器。介绍了发生器的工作过程,对发生器中炸药的爆炸和冲击过程进行了计算和数值模拟,建立了带有初始电压和初始静磁场的发生器的工作电路模型,得出了感应电压的计算方法。设计了一种通过永磁体提供初始静磁场的脉冲发生器,并分别对装有两种不同炸药的发生器进行了实验。实验表明:爆速较高的炸药驱动发生器可产生峰值更高的电压脉冲。实验结果偏低于计算结果,原因是理论计算中简化了磁芯磁场和冲击波速度。