周景涛，男，1981年生，陆军工程大学石家庄校区讲师，长期从事超磁致伸缩材料驱动技术的教学和科研工作。获军队科技进步二等奖2项；授权国防发明专利10项，实用新型专利10项，软件著作权3项，出版专著1部，发表学术论文20篇，SCI收录5篇，EI收录8篇。

第 1 章　 绪论 ……………………………………………………………………… 001

1. 1　 超磁致伸缩材料简介 ………………………………………………… 002

1. 2　 超磁致伸缩材料的发展及应用……………………………………… 003

1. 2. 1　 超磁致伸缩材料的发展 …………………………………… 003

1. 2. 2　 超磁致伸缩棒的应用 ……………………………………… 005

1. 2. 3　 超磁致伸缩薄膜的应用 …………………………………… 011

1. 3　 超磁致伸缩致动器类型 ……………………………………………… 014

1. 3. 1　 直动式超磁致伸缩致动器 ………………………………… 014

1. 3. 2　 步进式超磁致伸缩致动器 ………………………………… 016

1. 4　 超磁致伸缩致动器的建模理论……………………………………… 019

1. 4. 1　 激励线圈电流模型 ………………………………………… 020

1. 4. 2　 磁场强度模型 ……………………………………………… 020

1. 4. 3　 磁化强度模型 ……………………………………………… 021

1. 4. 4　 应变模型……………………………………………………… 022

1. 4. 5　 动力学模型…………………………………………………… 023

1. 5　 柔性铰链分类及应用 ………………………………………………… 023

1. 6　 超磁致伸缩致动器测试方法研究…………………………………… 026

第 2 章　 超磁致伸缩材料基本特性测试 ……………………………………… 031

2. 1　 实验测试系统组成 …………………………………………………… 032

2. 2　 磁致伸缩特性测试 …………………………………………………… 034

2. 3　 倍频特性测试 ………………………………………………………… 036

2. 4　 磁滞特性测试 ………………………………………………………… 038

2. 5　 压应力特性测试 ……………………………………………………… 041

2. 6　 温度特性测试 ………………………………………………………… 042

2. 7　 本章小结 ……………………………………………………………… 045

第 3 章　 超磁致伸缩致动器基础建模 ………………………………………… 047

3. 1　 建模流程 ……………………………………………………………… 048

3. 2　 驱动信号模型 ………………………………………………………… 049

3. 2. 1　 正方波信号模型 …………………………………………… 049

3. 2. 2　 锯齿波信号模型 …………………………………………… 050

3. 3　 电流模型 ……………………………………………………………… 051

3. 3. 1　 线圈简化为 ＲＬ 电路 ………………………………………… 051

3. 3. 2　 线圈简化为 ＲＲＬ 电路 ……………………………………… 053

3. 4　 磁场模型 ……………………………………………………………… 056

3. 4. 1　 基于磁路磁场模型 ………………………………………… 056

3. 4. 2　 基于毕奥 － 萨伐尔定律磁场模型 ………………………… 057

3. 4. 3　 永磁体磁场模型 …………………………………………… 060

3. 5　 磁化模型 ……………………………………………………………… 061

3. 5. 1　 静态磁化模型 ……………………………………………… 061

3. 5. 2　 动态磁化模型 ……………………………………………… 063

3. 6　 应变模型 ……………………………………………………………… 064

3. 6. 1　 二次畴转模型 ……………………………………………… 064

3. 6. 2　 双曲正切模型 ……………………………………………… 064

3. 7　 ＧＭＭ 棒位移模型 …………………………………………………… 066

3. 8　 本章小结 ……………………………………………………………… 069

第 4 章　 惯性式超磁致伸缩直线致动器设计与实验研究 …………………… 071

4. 1　 惯性式直线致动器工作原理………………………………………… 072

4. 2　 惯性式直线致动器结构设计………………………………………… 073

4. 2. 1　 结构组成……………………………………………………… 073

4. 2. 2　 激励线圈设计 ……………………………………………… 074

4. 2. 3　 预压装置设计 ……………………………………………… 076

4. 2. 4　 叠加式柔性铰链设计 ……………………………………… 078

4. 3　 惯性式直线致动器动力学模型……………………………………… 084

4. 3. 1　 ＧＭＭ 棒伸长状态 …………………………………………… 084

4. 3. 2　 ＧＭＭ 棒收缩状态 …………………………………………… 085

4. 4　 实验测试系统 ………………………………………………………… 087

4. 5　 惯性式直线致动器实验研究………………………………………… 089

4. 5. 1　 质量对输出位移的影响实验 ……………………………… 089

4. 5. 2　 单步位移实验 ……………………………………………… 091

4. 5. 3　 输出稳定性实验 …………………………………………… 093

4. 5. 4　 工作频率实验 ……………………………………………… 094

4. 6　 本章小结 ……………………………………………………………… 095

第 5 章　 箝位式超磁致伸缩直线致动器设计与实验研究 …………………… 097

5. 1　 箝位式直线致动器工作原理………………………………………… 098

5. 2　 箝位式直线致动器结构设计………………………………………… 099

5. 2. 1　 结构组成……………………………………………………… 099

5. 2. 2　 箝位机构设计 ……………………………………………… 100

5. 2. 3　 叠加式柔性铰链设计 ……………………………………… 101

5. 3　 信号控制器设计 ……………………………………………………… 103

5. 4　 箝位式直线致动器动力学模型……………………………………… 107

5. 5　 实验测试系统 ………………………………………………………… 108

5. 6　 箝位式直线致动器实验研究………………………………………… 110

5. 6. 1　 箝位机构稳定性实验 ……………………………………… 110

5. 6. 2　 单步位移实验 ……………………………………………… 111

5. 6. 3　 输出稳定性实验 …………………………………………… 112

5. 6. 4　 工作频率实验 ……………………………………………… 113

5. 7　 本章小结 ……………………………………………………………… 114

第 6 章　 箝位式超磁致伸缩旋转致动器设计与实验研究 …………………… 115

6. 1　 箝位式旋转致动器的工作原理……………………………………… 116

6. 2　 箝位式旋转致动器结构设计………………………………………… 118

6. 2. 1　 结构组成……………………………………………………… 118

6. 2. 2　 箝位机构设计 ……………………………………………… 119

6. 2. 3　 驱动柔性铰链设计 ………………………………………… 120

6. 2. 4　 箝位柔性铰链设计 ………………………………………… 126

6. 3　 箝位式旋转致动器动力学模型……………………………………… 132

6. 4　 实验测试系统 ………………………………………………………… 134

6. 4. 1　 实验测试系统组成 ………………………………………… 134

6. 4. 2　 角位移的测量及误差分析 ………………………………… 135

6. 5　 箝位式旋转致动器实验研究………………………………………… 137

6. 5. 1　 箝位机构稳定性实验 ……………………………………… 137

6. 5. 2　 单步角位移实验 …………………………………………… 138

6. 5. 3　 输出稳定性实验 …………………………………………… 140

6. 5. 4　 输出转矩实验 ……………………………………………… 141

6. 5. 5　 工作频率实验 ……………………………………………… 143

6. 5. 6　 驱动信号时序优化实验 …………………………………… 143

6. 6　 本章小结 ……………………………………………………………… 146

参考文献 …………………………………………………………………………… 148