基于惯性冲击的磁致伸缩式微小无缆驱动器研究

                       卢全国

项目批准号：51165035

资助金额：50万元

起止年月：2011年1月-2015年12月

1 项目简介

惯性冲击机构(Impact Drive Mechanism ，IDM)，是一种利用惯性冲击原理实现驱动的新型驱动器，现有的IDM几乎都以压电材料为驱动元件。压电式IDM具有诸多优势，但也存在有缆驱动、负载能力弱等不足。项目采用Terfenol-D复合悬臂梁为驱动源，提出了一种新型的无缆式IDM，并展开相关研究，旨在获得一种速度、负载、稳定性等指标更优的无缆式精密直线移动机构。

2 主要创新点及其主要研究进展

分别以Galfenol和Terfenol-D合金悬臂梁为驱动源，设计了无缆和有缆两种驱动器样机，以虚功原理为基础，采用有限元方法建立了驱动器的动力学模型，优化了驱动信号，进行了驱动器的驱动特性仿真，并通过样机测试进行了模型的验证研究。根据东华计量测试研究院出具的测试报告，无缆式驱动器的步长为0.38μm（0.8A,22Hz）。成果可为相关器件的开发提供理论基础，并对拓宽江西省稀土材料应用范围具有积极意义。

3 研究成果

（1）发表论文23篇，其中SCI收录期刊论文1篇，EI源期刊论文4篇（3篇已收录）；中文核心期刊论文10篇，EI源会议论文6篇（2篇已收录）；（2）获江西省高校科技成果一等奖1项，江西省机械工业“江铃科技奖”二等奖1项；（3）申报发明专利8项（已授权4项），授权实用新型专利8项；（4）试制了样机多台，委托东华测试计量研究院进行了2款样机的性能测试；（5）毕业博士2人，毕业硕士4人，在读硕士1人，以项目组为主体的平台获批为江西省重点实验室；（6）邀请了专家5人来校交流（国外2人），承办了稀土超磁致伸缩合金应用器件开发研讨会，相关调研成果入选全国政协和省政协提案各1件。

基于轴向非均匀磁场的GMA磁滞主动抑制研究

负责人：卢全国

项目批准号：50865008

资助金额：25 万元

起止年月：2009年01月-2011年12月

1 项目简介

稀土超磁致伸缩驱动器（GMA）输出位移具有很强的磁滞非线性，影响了系统的控制精度。针对目前GMA磁滞抑制方法精度较低、执行时间长的不足，项目提出对GMA磁滞进行主动抑制的方法，即通过对GMM棒施加轴向非均匀磁场，使其非线性相互作用，降低GMA的磁滞误差。研究了轴向磁场分布对GMA输出的影响，在此基础上，研制了基于轴向非均匀磁场的小磁滞GMA样机，与同匝数线圈的均匀磁场GMA相比，其磁滞误差减小30-50%，可有效提高以GMA为驱动部件的各类机电装置的性能，应用前景广阔。

2主要创新点及其主要研究进展

基于材料自由能建立了考虑磁滞特性的GMA磁机耦合模型，采用数值分析和实验相结合的方法，以阶梯型、内凹型和内凸型线圈为对象，研究了轴向磁场分布对GMA磁滞的影响。结果表明：改变驱动线圈形状，进而改变轴向磁场分布，可对GMA磁滞特性产生较大影响，在线圈匝数相同的情况下，阶梯型线圈的GMA磁滞最小，内凹型更大，内凸型最大。在大量仿真分析实例的基础上，采用BP网络建立了驱动线圈形状与GMA磁滞特性的映射关系，并得到小磁滞GMA的设计方法：阶梯形线圈，由线圈1、2、3、4和5轴向串联而成；线圈1按GMM材料饱和磁场强度的2倍设计层数；线圈2和3层数相同，按GMM材料的磁场渐饱和要求设计；线圈4和5层数相同，按GMM材料的磁场欠饱和要求设计；研制了小磁滞新型GMA样机（图1），经江西省东华测试研究所测试，GMA磁滞主动抑制效果明显，较同匝数线圈的均匀磁场GMA磁滞误差减小53.2%。

3 研究成果

（1）在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》、《机械工程学报》、《自动化学报》、《中国机械工程》等期刊及国际会议发表论文15篇，SCI收录1篇，EI检索9篇，出版教材1本。另有《机械工程学报》等期刊和会议录用论文5篇，待发表。获2011年度中国机械工程学会优秀学术论文奖和第三届全国智能制造学术会议(NCIM’2011) 优秀学术论文一等奖；

（2）研制了小磁滞新型GMA样机，经江西省东华测试研究所测试，GMA磁滞主动抑制效果明显，较均匀磁场的GMA磁滞误差减小53.2%。申报国家发明专利5项，2项已获授权；

（3）项目组2人次晋升高级职称，1人次入选江西省新世纪百千万人才工程人选，1人次入选江西省高等学校中青年学科带头人，1人次入选江西省青年科学家培养对象。项目组入选南昌工程学院首批科研型创新团队。博士后出站1人，博士毕业1人，硕士毕业3人，在读博士2人，在读硕士2人。

面向无线传感器网络的压电-摩擦复合式MEMS宽频能量采集器研究

负责人：唐刚

项目批准号：51565038

资助金额：48万元

起止年月：2016年1月-2019年12月

1 项目摘要

随着无线传感器网络（WSN）技术的发展，WSN节点数目越来越庞大，且通常面临无人无源应用场景，因此能量供给问题是制约WSN快速发展的主要瓶颈之一。将环境振动能转化为电能的能量采集技术是解决WSN节点供能问题的一种有效方式。目前输出性能低、工作频带窄已成为微型能量采集器研究亟需解决的关键问题。本项目提出一种集成压电和摩擦两种换能机制的复合式能量采集器，解决传统单一机制换能效率低、输出功率小的问题；利用两自由度和碰撞式非线性相结合的方式拓宽频带，突破单一拓宽方法的局限；通过开发高性能压电厚膜和金属质量块摩擦微结构关键工艺，制作MEMS能量采集器实验样机，对其输出性能进行评估和分析，并验证上述原理的可行性和有效性，为实际应用于WSN节点奠定技术和应用基础。

2 主要研究内容

本项目主要是为解决制约微型能量采集器实际应用的关键问题（即输出性能低、频带窄），拟研究一种压电-摩擦复合式宽频振动能量采集器，采用压电式和摩擦式复合的转换机理实现新颖的高转换效率能量采集工作机制，设计两自由度和碰撞式结构实现两种频带拓宽技术的集成，并通过MEMS加工工艺实现样机的加工制作。

3 主要创新点

（1）针对目前单一机制MEMS 能量采集器存在换能效率低、输出功率小等问题，提出在同一振动单元上集成压电和摩擦两种换能机制的复合式MEMS 振动能量采集器，实现振动能量的双转换模式高效采集。

（2）提出一种利用两模态和碰撞非线性相结合的方式来实现频带拓宽的能量采集器新型设计方案，突破现有研究仅采用单一方式拓宽器件频带的局限。

（3）研究新型能量采集器摩擦微结构（金属质量块）的MEMS 集成制造技术。采用SU8 混合金属粉末方法制备摩擦微结构（金属质量块），不仅有利于提高摩擦电荷采集密度，而且解决了金属质量块制作与MEMS 工艺兼容问题。

基于近场声全息的封闭空间面板振动对声品质贡献及影响机理研究

负责人：肖悦

项目批准号：51565037

资助金额：48万元

起止年月：2016年1月-2019年12月

1 项目摘要

随着工业技术的发展，封闭空间内部声场的控制目标已由传统的降低声音信号的A计权声压级转换为低噪声基础上声音品质的改善，然而传统的封闭空间面板声学贡献度分析方法只局限于物理声特征，无法提供声品质特征，因此目前对组成声腔的面板振动特性与内部声场声品质之间的联系尚不清楚。为此，本项目拟利用近场声全息方法研究封闭空间内部声场各振动面板对声品质特性的影响机理，揭示声品质参量的分布及变化规律，建立高效且精确的封闭空间内声场的面板声品质贡献度识别方法。对封闭空间结构面板振速重建算法，物理声学贡献度计算方法，内部声场的声品质映射理论以及声品质主观评价系统模型算法等关键问题展开系统研究，形成完善的基于近场声全息的封闭空间内声场声品质的计算理论和评价流程。基于以上理论，开发相应的测量分析系统，开展实验研究。本研究将为解决工程实际中封闭空间内声品质设计与控制问题提供重要的理论基础和技术支持。

2 主要研究内容

本课题主要利用近场声全息方法针对封闭空间声场振动面板对声品质的影响机理进行研究，建立封闭空间内声场的面板声品质贡献度识别方法，形成基于近场声全息的封闭空间内声场声品质的计算理论和算法流程，为揭示封闭声场声品质参量分布与变化规律的研究提供有益的扩展，为解决工程实际中封闭空间内声品质设计与控制问题提供理论支持。 

3 主要创新点

（1）建立全息面测量的声学信息到面板法向振速之间传递模型，提出一种基于等效声场变换的面板声学贡献度识别方法。

（2）提出封闭空间内声场的声品质映射理论，建立近场声全息重构的面板振速与内声场的各声品质参量的关联机理。

（3）建立高效准确的封闭空间内声场的声品质主观评价系统模型。

（4）提出一种基于NAH的面板振动对声品质的贡献度识别方法。

计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车

多行驶模式实时优化能量管理策略

负责人：曾育平

项目批准号：51665020

资助金额：38万元

起止年月：2017年1月-2020年12月

1 项目摘要

本项目以插电式四驱混合动力汽车为研究对象，针对该车辆的三元催化器易工作在非正常工作温度区间、驾驶室供暖对电池电能消耗过大和基于极小值原理的油耗和排放多目标控制策略难以应用于实时控制等关键问题，研究计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车多行驶模式实时优化能量管理策略，项目的研究对提高插电式混合动力汽车的燃油经济性和排放性能具有重要意义。

2 主要研究内容

本项目以前桥使用CVT的插电式四驱混合动力汽车为研究对象（其动力传动系统结构如图1），针对计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车多行驶模式实时优化能量管理策略，在系统建模、控制策略研究和仿真与实验验证等方面开展相关研究工作。

3 主要创新点

1）提出了计及催化器温度效应的能量管理策略

2）提出了计及驾驶室温度效应的能量管理策略

3）提出了基于近似极小值原理的油耗和排放多目标实时优化控制策略

超磁致伸缩Fe-Ga合金薄膜成分及结构的预测模型构建

负责人：晏建武

项目批准号：51161019

资助金额：50万元

起止年月：2011年8月-2015年12月

1 项目摘要

探索薄膜的成分、结构及磁致伸缩性能与制备工艺之间的相关性，揭示其影响规律，建立薄膜成分、结构的预测与控制理论模型；研究Fe-Ga薄膜的磁化行为以及磁致伸缩性能，建立本构模型，可为超磁致伸缩Fe-Ga薄膜的应用提供理论基础和技术支撑。本项目采用复合靶和合金靶，聚酰亚胺薄膜基片、铜基片、单晶Si基片及玻璃基片，通过改变合金靶成分以及控制靶上贴片面积与合金靶表面面积的面积比，采取调整溅射气压、靶基距、基片溅射温度、溅射电压、溅射电流参数、溅射后的热处理温度等措施，用磁控溅射镀膜机溅射制备单层、多层Fe-Ga薄膜。采用SEM、EDS、TEM、XRD、电脑膜层测厚仪、磁力显微镜（MFM）等仪器，对薄膜成分、显微结构及磁畴结构进行了表征。建立了Fe-Ga薄膜成分控制模型和马赛克靶溅射中成分规律的解析模型。解释了基片弹性模量对薄膜磁化性能的影响。

2 主要创新点及其主要研究进展

（1）Fe–Ga合金薄膜成分预测模型的建立

基于薄膜凝固态物理基本原理、合金薄膜溅射知识，利用面积不等的纯铁片贴附在Fe-Ga合金靶材上，通过改变铁片与靶材的面积比来到达控制薄膜成分的目的。建立了Fe-Ga薄膜成分控制模型和马赛克靶溅射中成分规律的解析模型。采用此模型成功的制备了不同成分的Fe-Ga薄膜。并对该实验条件下薄膜的厚度及沉积速率进行了计算和分析。表征了纳米Fe84Ga16薄膜的表面形貌、晶体结构。利用间接X射线衍射法来计算表征溅射态和退火态薄膜的内应力。

（2） Fe–Ga合金薄膜磁化特性及磁化规律的研究及解释

超磁致伸缩薄膜的磁性能与基片材料的物理性能、加工工艺等因素有直接关系。本课题选用抛光玻璃、铜基底，溅射制备了了Fe–Ga合金薄膜，研究了薄膜内应力状态及性能。对薄膜磁滞回线进行对比，解释了基片弹性模量对薄膜磁化性能的影响。

3 研究成果

（1）在SCI收录期刊Journal of Iron and Steel Research international上发表论文1 篇，在EI收录期刊《International Jouenal on Smart Sensing and Intelligent systems》、《The Open Mechanical Engineering Journal》、《Sensors & Transducers》发表论文3篇，在核心期刊上发表论文9篇；（2）项目研究成果获国家发明专利授权3件，实用新型专利授权6件；（3）已毕业研究生5人，在读研究生1人