超磁致伸缩材料的应用现状

第27卷第5期煤　矿　机　械　　　　　　　　　　　　　　　　2006年　5月CoalMineMachinery

　　　　　　　　　　　　　　　　May.

Vol127No15

2006

专题综述

文章编号:100320794(2006)0520725203

超磁致伸缩材料的应用现状

方紫剑,王传礼

(安徽理工大学,安徽淮南232001)

摘要:稀土超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料具有应变大、响应速度快等优点。介绍了超磁致伸缩材料(GMM)及基本特性,且较全面地论述了超磁致伸缩材料2类执行器在各领域(特别是在液压元件和微型马达)中的应用及研究现状。

关键词:超磁致伸缩材料;液压元件;微型马达中图号:TP39文献标识码:A

ApplicationsofGiantMagnetostrictiveMaterial

FANGZi-jian,WANGChuan-li

(AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Abstract:Thegiantmagnetostrictivematerial(GMM)hastheadvantagesofhighstrainandfastresponse.Thegiantmagnetostrictivematerialanditsbasiccharacteristicsarepresented.Thecurrentonapplica2tionsoftwokindsofGMAinvariousfields(particularlyinthefieldofhydrauliccommicro-mo2tors)arecomprehensivelyintroduced.

Keywords:giantmagnetostrictivematerial;hydrauliccom-m1　超磁致伸缩材料(GMM)GMMNi、Co:(,的～倍,是PZT的5～8倍;(2),是Ni的400～500倍,是PZT的10～25倍;(3)响应速度快,一般在几十毫秒以下,甚至达到微秒级;(4)输出力大,负载能力强,可达到220～800N;(5)其磁极耦合系数大,电磁能机械能的转换效率高,一般可达72%;(6)居里点温度高,工作性能稳定。此外,声速低,约是Ni的1Π3,PZT的1Π2。鉴于GMM的上述优良特性,这种材料在许多

领域中已引起人们的广泛重视。2　物理效应与应用形式2.1　超磁致伸缩材料的物理效应

(1)Joule效应　磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化的现象,可用来制作磁致伸缩转换器。

(2)Villari效应　由于形状变化,致使其磁化强度发生变化的现象,可用于制作磁致伸缩传感器。

(3)ΔE效应　随磁场变化,杨氏模量也发生变化的现象,可用于声延迟线。

(4)Viedemann效应　在磁性体上施加适当的磁场,当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象,可用于制作扭转马达等。

(5)AntiViedemann效应　当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲,同时沿轴向施加磁场,则沿周向出现交变磁化的现象,可用于扭转传感器。

(6)Jump效应　当超磁致伸缩材料外加预应力时,磁致伸缩呈跃变式变化,磁导率也发生变化。

以上效应是超磁致伸缩材料的应用研究基础,利用这些效应可做成各种器件。2.2　超磁致伸缩材料在工程中应用的2种形式

基将超磁致伸缩执行器

MagnetostrictiveActuator)分为2类:

(1)直动型　直动型超磁致伸缩执行器一般使用超磁致伸缩棒(例如Terfenol-D),当作用在其上的磁场变化时产生形变,从而推动负载运动。

(2)薄膜型　这类执行器一般是采用在非磁性基片(通常是用一些半导体材料如Si制成)的上、下表面采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法分别镀上具有正(如:TbFe)、负(如:SmFe)磁致伸缩特性的薄膜制成,当在长度方向外加磁场时,产生正磁致伸缩的上表面薄膜伸长,而产生负磁致伸缩的下表面薄膜缩短,从而带动基片发生偏转。3　两种GMA的应用现状

基于超磁致伸缩材料的微位移执行器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在液压元件、微型马达、声纳换能器等工程领域均显示出良好的应用前景。2种形式的GMM在工程中都有广泛的应用,本文着重介绍了2种形式的GMM在液压元件和微型马达中的应用。3.1　直动型GMA的应用现状

目前,直动型超磁致伸缩执行器较多应用于微型泵、各种阀门、微型马达、声纳等产品中。

(1)微型泵

瑞典ABB公司用Terfenol-D为驱动元件设计了微型泵;日本用Terfenol-D制成了微型隔膜泵;英国SanTechnology公司的DariuszA.Bushko和James.H.Goldie用Terfenol-D棒制成了微型高压隔膜泵,其结构如图1,结合水力和电控装置,可实现强力、大行程的水力驱动,既可线性输出又可旋转输出,体积小且易于控制,其工作原理通过线圈驱动GMM

棒发生伸缩动作,推动隔膜运动从而改变工作腔的容积,实现吸排油

。

发出转动式步进马达。

(4)声纳

国际上最先使用的超磁致电-声换能器叫方环换能器,是一种内方外圆形的水下器件,其结构如图4,它的驱动部分是由4根Terfenol-D棒组成,其共振频率可达2kHz。现在采用超磁致伸缩材料的大功率电-声换能器已广泛用于军事技术、海洋探测、地质勘探、石油工业,此外在清洗、除垢、分离、乳化、破碎、机加工、塑料焊接、探伤和医疗器械等方面,超磁致超声声纳也具有广泛的应用前景。例如:ETREMA公司用Terfenol-D制成了3kW的超声换能器。用于废旧轮胎破碎,同时还用Terfenol-D制成了超声手术刀

。

图1　高压薄膜泵的结构图

Fig.1　Structurediagramofhigh-pressuremembrane-pump

11外壳　21线圈　31预压弹簧　41工作腔　51输出阀(高压)

61输入阀(低压)　71隔膜　81GMM棒　91永磁体

(2)微型阀

HartmutJanocha采用设计超磁致伸缩执行器设计了喷射阀,M.Goodfriend等人采用超磁致伸缩执行器改造比例滑阀;TakahiroUrai等采用超磁致伸缩执行器研制了直动式伺服阀;国内浙江大学流体传动与控制国家重点实验室较早开展了GMM的应用

研究并设计出气动喷嘴挡板型伺服阀。江苏淮海工学院的石延平教授设计了使用超磁致高速开关阀,其结构见图2。如图所示超磁致执行器的输出位移通过杠杆放大,杠杆放大倍数为8,8倍,

图.iant-transducer

GMM的诸多优良特性,它还被广泛应用

图2　高速开关阀结构图

Fig.2　Structurediagramofhigh-speedswitchvalve

11位移放大杠杆　21GMA　31开关阀

于减振降噪、超精密加工、传感器、电子器件等领域。

3.2　薄膜型超磁致伸缩执行器

近年来,薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发与应用已成为一个新的研究热点。

(1)微型泵

德国E.Quandt等人利用GMM薄膜型执行器设计了微型泵,图5

为其示意图。

(3)微型马达

美国、日本和欧洲分别研制了用GMM或GMM和压电材料组合的直线电动机和振动型马达,并且已有多个GMM马达专利。例如ClarkAE等根据Terfenol-D的“磁致伸缩跃变效应“设计制作的英寸蠕动马达。C.Frank等人用2个Terfenol-D的线性驱动器和一个圆环装置设计出一种振动型马达。德国的L.Kiesewetter利用Terfenol-D棒研制成功一种尺蠖式马达,图3

为其结构示意图。

图5　GMM薄膜泵示意图

Fig.5　SketchmapofGMMmembrane-pump

11GMM薄膜　21工作腔

图3　尺蠖式马达示意图

Fig.3　Sketchmapofcankerworm-typemotor

当线圈通入电流并且位置发生变化时,超磁致伸缩棒交替伸缩,像虫子一样蠕动前进。美国的J.M.Vranish等利用蠕动原理采用超磁致伸缩材料开

它由2部分组成,将2部分贴合在一起后当施加一定的磁场,GMM薄膜便会发生变形从而带动基片上下偏转运动改变工作腔的容积,从而实现吸排油。当基片向上偏转时泵吸液;当基片向下偏转时泵排液。当外磁场变化频率为2Hz时,泵的输出流量可达10μLΠmin,输出压力可达100Pa。

(2)微型阀

E.Qtandt等人研制的一种悬臂梁式超磁致伸缩薄膜微型阀,它利用薄膜的伸缩效应就可实现阀的工作,其结构见图6。当阀门关闭时,通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相连,液体在连通的上、下2个腔体中同时存在但不外流。当外加磁场时,磁致伸缩薄膜发生变形使基片产生弯曲,这时通道口

第27卷第5期煤　矿　机　械　　　　　　　　　　　　　　　　2006年　5月CoalMineMachinery

　　　　　　　　　　　　　　　　May.

Vol127No15

2006

文章编号:100320794(2006)0520727204

21世纪快速原型制造技术

储开宇

(华北电力大学机械学院,河北保定071000)

摘要:快速原型技术是20世纪末兴起的一项先进制造技术,该技术可以缩短产品的生产周期、降低成本、提高产品的质量。介绍了快速原型技术的基本原理,工艺方法和技术特点,探讨了快速原型技术今后的发展方向。

关键词:快速原型;分层;制造技术中图号:TG249.9文献标识码:A

21Centure’sModernManufactureTechnology-rapidPrototyping

Manufacturing

CHUKai-yu

(MechanicalEngineeringCollegeofNorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071000,China)

Abstract:Rapidprototypingisanadvancemanufacturingtechnologywhichroseintheendof20thcenture,The

productionperiodisshortened,costisreduced,andproductisimprovedbythisadvancemanufacturingtechnology.Thefundamentals,technologicalofrapidproto2typingarebrieflyintroduced.ThedevelopingdirectionofinKeywords:rapidprototyping;

laminated;1　),采、模具和零件与基片相分离,液体便从上腔经过出口流出,达到控制的目的。研究试验表明,当外加磁场为30mT时产生最大开口量,驱动磁场也大大减小。

。它是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们的集成。该技术不采用外加一约750Hz频率、大小为15mT的激励磁场时,这种线性马达的步进速度可达3mmΠs。

(4)在其它方面应用

利用超磁致伸缩薄膜还可以制作光学元件和微型行走机械。

参考文献:

[1]王传礼,等.GMM在机械电子工程中的应用研究现状[J].电子机

械工程,2002,18(4).

[2]邬义杰.超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究[J].机电工程,

2004,21(4).

图6　GMM薄膜微型阀示意图

Fig.6　SketchmapofGMMmembranemicrovalve

11通道　21GMM薄膜

[3]Hartmut.Janocha.Applicationpotentialofmagneticfielddrivennewac2

tuators.SensorsandActuators.A91(2001):126-132.[4]Mel.Goodfriend,etc.Applicationofamagnetostrictivealloy,terfenol-Dtodirectcontrolofhydraulicvalve[C],SAEInternationaloff-Highway&Powerplant&Congress&Exhigition,Sept,1990,10-13.

[5]TakahiroUraietc.DevelopmentofaDirectDriveServeValveUsinga

GiantMagnetostrictiveMaterial.FluidPower.EditedbyT.Maeda.1993.[6]夏春林.超磁致伸缩电-机械转换器及其在流体伺服元件中的

(3)微型马达

Halstrup利用超磁致伸缩薄膜振动的原理研制出

一种直线超声马达(虽然它的频率不能达到超声频率,但根据日本压电超声马达的分类标准,Halstrup将其定义超声马达),其结构见图7。当偏磁场大小为30mT,

应用基础研究[D].浙江大学博士论文,1998.

[7]FrankClaeyssenetc.DesignandConstructionofaResonantMagnetos2trictiveMotor.IEEETransactiononMagnetics.1996,32(5).[8]贾振元.超磁致伸缩材料驱动微型马达的原理与应用[J].中国机

械工程,2003,14(13).

图7　GMM薄膜型直线超声马达示意图Fig.7　SketchmapoflinearGMMmembrane-type

ultrasonicmotor

11基片　21GMM薄膜

作者简介:方紫剑(1981-),安徽淮南人,安徽理工大学机械系

在读硕士研究生,E-mail:[email protected].

收稿日期:2005212216