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超磁致伸缩致动器建模研究综述

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超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterial）

因其磁致伸缩系数远高于普通铁磁材料而得名［1］。国

外学者已经在航空航天、军工科技等众多领域开发出

上千种产品；国内也设计出一些超磁致伸缩器件［2-5］。

根据超磁致伸缩材料的形状可将现有产品分为棒型器

件和薄膜型器件两类，其中以棒型超磁致伸缩材料为

核心的超磁致伸缩致动器是该类型材料在机-电转换

领域应用的最基本器件，其结构原理，如图1所示。

在开发产品的同时，科研工作者们逐渐认识到了

超磁致伸缩材料除具有磁致伸缩特性外，还具有如下基本物理特性［6-7］：1）多场耦合特性。超磁致伸缩材料在交变磁场驱

动下会受到力、磁、热等多种物理场的非线性耦合作

用。首先，将磁能转化为机械能同时，外力、磁畴间的

内应力、晶格之间摩擦力也反过来影响超磁致伸缩材

料内部的磁化状态，即存在磁-机械正逆耦合效应［8］。

其次，温度升高引发热扰动产生的热磁耦合使得饱和

磁化值降低，从而引起了λ的减小［9］。另外，温度升高

后材料产生的应变使宏观上表现为材料体积上的膨胀

对超磁致伸缩致动器的输出特性影响也较为严重。2）磁滞特性。超磁致伸缩材料具有很强的磁滞非

线性：从细观层面讲，在磁化过程中磁畴主要有壁移和

畴转两种运动方式。铁磁材料具有的缺陷对壁移形成

了阻滞，使得壁移运动不可逆；外部磁场使得磁畴转向

低能量的方向，此过程也是不可逆的，这两者导致了铁

磁材料固有的磁滞非线性［10］。

超磁致伸缩材料很强的非线性耦合特性、磁滞特

性以及超磁致伸缩致动器的复杂动态特性使得很难对

超磁致伸缩致动器输出量实现精确控制，从而大大限

制了超磁致伸缩致动器在工程实际中的进一步推广应

用。所以亟需建立既能清晰地描述超磁致伸缩致动器超磁致伸缩致动器建模研究综述

崔旭，何忠波，李冬伟，李玉龙

（军械工程学院火炮工程系，河北石家庄050003）

摘要超磁致伸缩材料具有很强的非线性耦合特性、磁滞特性和复杂动态特性。因此，建立能够准确描述超磁致伸缩

致动器工作状态的模型成为关键问题。综述棒型超磁致伸缩材料在多场耦合特性、磁滞特性建模研究状况以及超磁致

伸缩致动器动力学建模研究状况，分析当前所建立多种模型的优缺点，并展望建模工作的发展趋势。

关键词超磁致伸缩材料；致动器；建模

中图分类号TB34文献标识码Ａ文章编号1004-244X（2011）04-0090-04

Researchreviewofmodelingforgiantmagnetostrictiveactuator

CUIXu，HEZhongbo，LIDongwei，LIYulong

（DepartmentofArtilleryEngineering，OrdnanceEngineeringCollege，Shijiazhuang050003，China）

AbstractThegiantmagnetostrictivematerialhasstrongnonlinearcouplingcharacteristics，hysteresischaracteristicsand

complexdynamics.Therefore，theestablishmentofthemodelwhichcanaccuratelydescribemagnetostrictiveactuatorworking

statebecomeskeyissues.Theresearchsituationinmulti⁃fieldcouplingandhysteresischaracteristicsofgiantmagnetostrictive

materialandindynamiccharacteristicofmagnetostrictiveactuatorwasreviewed，andthecurrentadvantagesanddisadvantages

ofmultiplemodelsestablishedbeforewereanalyzed.Finally，thispaperlooksforwardtothedevelopmentofmodelingwork.

Keywordsgiantmagnetostrictivematerial；actuator；modeling

收稿日期：2011-04-16；修回日期：2011-05-19作者简介：崔旭，男，硕士研究生；研究方向为车辆机电液一体化技术。E-mail：cxlnpybzsf@163.com。12345678

1—底座；2—外套；3—驱动线圈；4—GMA芯棒；5—线圈骨架；6—输出杆；7—预压弹簧；8—端盖

图1超磁致伸缩驱动器结构简图Fig.1StructrualchartofCMA兵器材料科学与工程ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGVol.34No.4July,2011第34卷第4期2011年7月

DOI：CNKI:33-1331/TJ.20110703.2110.001网络出版时间：2011-07-0321:10网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1331.TJ.20110703.2110.001.html第4期

工作原理，又能为超磁致伸缩致动器的控制方法的设

计工作给予支撑的数学模型。

1棒型超磁致伸缩材料建模状况

棒状超磁致伸缩材料是超磁致伸缩致动器的核心

部件，因此深入了解棒型超磁致伸缩材料物理特性是

研究超磁致伸缩致动器动力学特性的基础。超磁致伸

缩材料的多场耦合特性和磁滞特性是其磁致伸缩性能

的主要影响因素，同时这两个物理特性也是对该类型

材料研究和应用过程中最难掌握的部分。

1.1多场耦合特性

超磁致伸缩材料多场耦合特性中，磁-机耦合特

性是研究最早，也是理论成果最多的部分。起初，广泛

用第一类压磁方程描述材料磁-机耦合特性，该方程

在假设恒温的前提下将磁-机耦合特性描述为线性方

程，并将该特性用压磁系数d33度量超磁致伸缩材料的

磁-机耦合特性［11-12］。1991年，Moffet通过实验证明了

压磁系数d33、常应力磁导率μ33等在压磁方程中常被看

作是常数的物理量对磁场和外应力的变化有复杂的依

赖性［13］。之后，开始利用Gibbs自由能泰勒展开的方

式对超磁致伸缩材料进行热力学层面上的描述，相继

出现了SS模型、D-H模型、HT模型、DDS模型和Z-L

模型等。Carman等提出了一个一维非线性耦合模型

（SS模型），将磁-机耦合特性表述为ε=ε（σ，H）和B=B

（σ，H），该模型中磁致伸缩应变正比于磁场平方，并包

含了应力σ和磁场强度H的耦合项［14］。SS模型在低磁

场情况下能够反映超磁致伸缩材料的驱动情况，但无

法描述强磁场下驱动状况以及磁饱和现象。针对这一

不足，Duenas等对SS模型进行了改进，用磁化强度M

来代替磁场强度H，得到一个表述为ε=ε（σ，M）和H=H

（σ，M）的模型（D-H模型），这个模型可以初步表述磁

饱和现象，但对高场情况下的材料驱动状况描述仍然

有比较大的偏差［15］。万永平、方岱宁等提出双曲正切

模型（HT模型）和磁畴翻转密度模型（DDS模型），这两

个模型使用双曲正切函数tanh（x）来表示磁饱和现象，

较D-H模型更好地表述磁饱和现象［16-17］。郑晓静、刘

信恩等在引入微观机制的情况下建立了Z-L模型，

此模型在低、中、高场下均能较好描述磁-机耦合特

性［18-20］。

随着对超磁致伸缩材料温度特性实验研究不断深

入，开始考虑温度的作用下的多场耦合建模工作［21］。

考虑到上述磁-机耦合模型的缺陷，在D-H模型中就

考虑了温度参数，但由于材料复杂的温度特性，这个参

数无法确定。孙乐等建立了一个考虑温度效应的Z-L

模型。该模型仍然通过Gibbs自由能泰勒展开的方式，并对反映温度-应力以及温度-应力-磁场的耦合

项进行有条件的保留。经过与实验数据对比，该模型

比不考虑温度效应的Z-L模型能更准确地反映超磁致

伸缩材料驱动时的真实状况［22］。值得注意的是，SS模

型、D-H模型、Z-L模型以及考虑温度的Z-L模型都是

三维本构模型，将这些三维模型退化为一维模型即可

描述棒型超磁致伸缩材料的输出特性。但总体来说，

至今仍未有清晰的关于超磁致伸缩材料温度特性的理

论解释，所以全面考虑热、磁、力等物理量的多场耦合

建模成果也较少。

1.2磁滞特性

目前，磁滞建模的主要成果有：通过纯数学手段描

述的Preisach模型和神经网络磁滞模型；基于磁畴理

论的J-A模型以及从材料热力学层面研究的自由能磁

滞模型。1.2.1Preisach模型

Preisach于1935年提出该模型，之后逐渐演变为

一种纯数学手段，对某种材料进行Preisach建模的主

要工作是确定与物理本质无关的Preisach算子。在超

磁致伸缩材料研究方面，Restorff等首先提出了该类型

材料的Preisach磁滞模型，但没有考虑磁滞动态特性；

鉴于此，TanXiaobo提出了一个新的动态Preisach磁滞

模型［6，23-24］。程建华在研究Preisach迟滞模型擦除属性

的基础上得到了迟滞预测的擦除算法，并结合擦除算

法建立了一个改进的Preisach迟滞模型，该模型可应

用于超磁致伸缩材料的前馈控制［25］。

由于超磁致伸缩材料磁滞特性随输入频率的变化

而产生明显变化，Preisach模型仅限于描述准静态或

者低频驱动情况。同时，该模型产生大量非物理参数

从而导致控制执行时间较长的缺点，而且该模型无法

揭示物理本质。1.2.2J-A模型

在基于畴壁理论的一类模型中，J-A模型最具实

用性和代表性。此模型是在Jiles和Atherton研究基础

上，通过不断修正完善得到的一种铁磁磁滞理论［1，26］。

在提出J-A模型之后，Jiles和Sablik又分别在考虑磁

滞损耗和涡流损耗、考虑磁-机耦合效应等的基础上

对模型进行了几次修正，使修正后的J-A模型不但可

以描述材料在中低频率交变磁场驱动下的磁滞效应，

而且能从微观层面描述磁-机耦合现象［27-28］。Calkins等建立了基于J-A模型的新磁滞模型，该

模型可以比较好的描述低频激励下输入电流与输出位

移之间的磁滞行为［29］。郑小静等将J-A模型与Z-L模

型建模思想有机地融合起来，建立考虑温度的新模型，

因而该模型能够更真实地描述超磁致伸缩材料磁崔旭等：超磁致伸缩致动器建模研究综述91

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超磁致伸缩作动器的率相关振动控制实验研究

超磁致伸缩作动器的率相关振动控制实验研究

第３４卷第１２期　振动与冲击　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１２　２０１５　

超磁致伸缩作动器的率相关振动控制实验研究　

郭咏新　，张臻　，王贞艳　，周克敏　，毛剑琴　

（１．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京１００１９１；２．西南交通大学电气工程学院，成都６１００３１；　３．路易斯安那州立大学电气工程与计算机科学系，巴吞鲁日　７０８０３）　

摘　要：以Ｈａｍｍｅｒｓｔｅｉｎ模型对超磁致伸缩作动器（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，ＧＭＡ）的率相关迟滞非线性进　行建模，其中改进的ＰＩ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｉｓｈｌｉｎｓｋｉｉ，ＭＰＩ）模型和外因输入自回归模型（Ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ　Ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　Ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ　Ｉｎｐｕｔ，ＡＲＸ）分别表示模型的静态非线性部分和线性动态部分。在所建模型的基础上，提出了一种日　鲁棒振动控制方　法。ＧＭＡ单自由度主动隔振平台的减振控制实验结果表明：日　鲁棒振动控制方法可以在１个振动周期内，将频率范围　为１～１００　Ｈｚ的振动衰减８８％一９２％；而基于双滤波器的自适应滤波ｘ—ＬＭＳ算法收敛时间近似于１　Ｓ，在４Ｏ～１００　Ｈｚ的频　率范围内可将振动衰减９０％～９２％，而在１０～３０　Ｈｚ的频率范围内只能将振动衰减４３％一７４％。因此所提出的日　鲁棒　振动控制方法收敛速度更快，控制频带更宽，而且不需要对不同频率激励下的控制通道进行重复建模。　关键词：超磁致伸缩作动器；率相关迟滞非线性；Ｈａｍｍｅｒｓｔｅｉｎ模型；振动控制；　鲁棒控制；自适应滤波　中图分类号：ＴＰ２９　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉＶＳ．２０１５．１２．０１０　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｒａｔｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｇｉａｎｔ　ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ　ａｃｔｕａｔｏｒｓ　

超磁致伸缩单晶微位移致动器特性研究

超磁致伸缩单晶微位移致动器特性研究

第１７卷第３期　材料开发与应用　２００２年６月　

文章编号：１００３—１５４５（２００２）０３—００１９　０３　

超磁致伸缩单晶微位移致动器特性研究　

王昌　李强　李银祥　张一玲　胡明哲　

（”武汉理Ｉ大学武汉４３００７０　清华大学北京１０００８４）　

摘要　采用高性能　Ｄｙ．　Ｆ　单晶材料，通过优化微位移致动器的机械、磁路参数，研制出了具有非水　

冷结构的新型微位移致动器。致动器的最大线性工作区间为０　５－－３５．５脚１，工作电压为２～２＃Ｖ，饱和驱动量　

可达３９．５　ｌｏ　关键词　超磁致伸缩　Ｆ　微位移致动器　

中围分类号：　，ＴＭ２７　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　

Ａｃｔｕａｔｏｒ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌ　

ＷａｎｇＣｈａｎｇ”，ＬｉＱｉａｎｇ　，Ｌｉ　Ｙｉｎｘｉａｎｇ”，ＺｈａｎｇＹｉｌｉｎｇ　，ＨｕＭｉｎｇｚ．ｈｅ　

（　ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｗｕｈａｎ４３００７１），Ｃｈｉｎａ　Ｔｓｉｎｇｈｕ￣Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１１８４．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｘａｍｅｔ￣ｒｓ，ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔ￣ｏｎ－ｗａｔｅｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｊｃｒ　ｄｉｓｐ１ａｃｅｍｅｎｔ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　

３１３ｙｏ　７Ｆ电ｓｌｎｇｊ￣ｃｒｙｓｔａｌ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　Ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　

ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｉｎｅａｒ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒａｎｇ　ｗａｓ　ｗｉｔｈｉｎ　０　５－－３５　５ｗｎ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｖｏｌｔ　ｗｉｔｈｉｎ　２－－２４Ｖ，ａｎｄ　ｓａｔｕｒａ　ｔｉｏｎ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｕｐ　ｔｏ　３９　５ｍｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＭａｇＴｌｅｌｏｓ试ｃｔ　ｎ　Ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　３Ｄｙ．７　Ｍｉｃｍ－ｄｌｓｐｌａｃｅｍｃｍｔ　ａｃｔｕａｔｏｒ　

薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状

薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状

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__________________________________________________ 薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状

注意：本文已在《压电与声光》(2000,22(3):157～159,167)杂志发表，

使用者请注明文章出处

贾振元 武丹 杨兴 郭东明 郭丽莎

(大连理工大学机械工程学院 116024)

摘 要 超磁致伸缩薄膜是一种性能优良的新型微驱动元件，在查阅大量文献的基础上，介绍了超磁致伸缩薄膜驱动的原理，综述了薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发和最新研究成果，重点介绍了薄膜型超磁致伸缩微执行器在微流体控制系统中的应用，在线性超声微马达中的应用和在微小型行走机械中的应用，并对超磁致伸缩薄膜在微执行器中的发展提出了展望。

关键词 超磁致伸缩 微执行器 薄膜

分类号 TP242

0引言

微型机电系统技术是一个新兴的技术领域,而微执行器又是复杂微机电系统的关键技术之一.常用的微执行器根据其驱动方式可分为压电式、静电式、形状记忆合金驱动等。压电式和静电式微执行器是目前应用较广泛的微执行器，它们具有精度高、不发热、响应速度较快等优点，但输出力小、驱动电压高等缺点也限制了它们的应用；而形状记忆合金虽然是已知的功能材料中变形量最大的，但它的响应速度较慢，且变形不连续，因而也限制了其应用。

超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁（电）—机械能转换材料，具有应变大、能量密度高、机电藕荷系数大、响应速度、输出力大等优点。从其诞生开始，便引起了工业界的重视，已广泛地应用于减震、阀门控制、微定位、机械传动机构、振动器、传感器及声纳系统等方面。

近年来，在磁致伸缩应用领域又出现了一个新的研究热点—超磁致伸缩薄膜的研究与应用。许多研究者采用溅射方法在非磁性基片上制备了稀土—过渡金属非晶薄膜，并对薄膜的结构和磁致伸缩特性进行了研究，发现磁致伸缩薄膜具有良好的软磁性能，磁晶各向异性值低，在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变。与通常的体磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩薄膜的制造过程容易和传统的半导体工艺联系起来,因而成本较低,并且由于薄膜中的二维磁弹性相__________________________________________________

超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究

超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究

超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究∗

喻曹丰;何涛;王传礼;邓海顺;鲍焱

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2016(047)005

【摘 要】针对超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)具有磁滞非线性现象,以经典 Jiles-Atherton模型为基础,建立了包含偏置磁场强度和预压应力的 GMA 磁滞非线性模型,进行了数值仿真分析,得到了偏置磁场强度和预压应力对 GMA 磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的影响规律。结果表明,偏置磁场强度对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较大,调整偏置磁场强度的大小,可改变磁化强度曲线的线性区间,并能抑制或消除磁致伸缩应变曲线的倍频效应；预压应力对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较小,施加不同的预压应力,可改变磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的变化率。这与现有试验得到的结论相吻合,验证了所建磁滞非线性模型的合理性。

【总页数】6页(P5170-5175)

【作 者】喻曹丰;何涛;王传礼;邓海顺;鲍焱

【作者单位】安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001;安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001;安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001;安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001;安徽理工大学 机械工程学院，安徽

淮南 232001

【正文语种】中 文 【中图分类】TP273

【相关文献】

1.基于Prandtl-Ishlinskii模型的超磁致伸缩驱动器实时磁滞补偿控制 [J], 杨斌堂;赵寅;彭志科;孟光

2.Preisach磁滞模型在超磁致伸缩驱动器中的应用研究 [J], 马志新;陈晓红

3.基于Preisach磁滞理论的超磁致伸缩驱动器建模 [J], 徐鸿翔;陈龙;朱玉川;蒋鑫

4.超磁致伸缩驱动器磁滞数理模型研究进展 [J], 闫洪波;刘恩佐;赵蓬勃;刘霈