超磁致伸缩材料的应用现状

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(G M M)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

Applications of G iant Magnetostrictive Material

FANG Zi-jian,WANG Chu an-li

(Anhui University of Science and T echnology,Huainan232001,China)

Abstract:The giant magnetostrictive material(G M M)has the advantages of high strain and fast response.The giant magnetostrictive material and its basic characteristics are presented.The current researches on applica2 tions of tw o kinds of G MA in various fields(particularly in the field of hydraulic com ponents and micro-m o2 tors)are com prehensively introduced.

K ey w ords:giant magnetostrictive material;hydraulic com ponent;micro-m otor

1　超磁致伸缩材料(G M M)的性能特点

G M M与压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni、C o等相比,具有独特的性能:(1)在室温下的磁致伸缩应变大,是Ni的40～50倍,是PZT的5～8倍;(2)能量密度高,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G M M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)Jum p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

按照是否采用基片可将超磁致伸缩执行器

(G MA,G iant Magnetostrictive Actuator)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T erfenol-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G MA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G M M在工程中都有广泛的应用,本文着重介绍了2种形式的G M M在液压元件和微型马达中的应用。

3.1　直动型G MA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T erfenol-D为驱动元件设计了微型泵;日本用T erfenol-D制成了微型隔膜泵;英国SanT echnology公司的DariuszA.Bushko和James.

H.G oldie用T erfenol-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G M M

第27卷第5期2006年　5月

煤　矿　机　械

C oal Mine Machinery

V ol127N o15

M ay.2006

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

。

图1　高压薄膜泵的结构图

Fig .1　Structure diagram of high -pressure membrane -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　81G M M 棒　91永磁体

(2)微型阀

Hartmut Janocha 采用设计超磁致伸缩执行器设计了喷射阀,M.G oodfriend 等人采用超磁致伸缩执行器改造比例滑阀;T akahiro Urai 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G M M 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,分别驱动阀芯和活动阀套相对运动。杠杆放大倍数为8,即阀芯与阀套的相对位移放大8倍,从而实现高速开关

。

图2　高速开关阀结构图

Fig .2　Structure diagram of high -speed switch valve

11位移放大杠杆　21G M A 31开关阀

(3)微型马达

美国、日本和欧洲分别研制了用G M M 或G M M 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G M M 马达专利。例如Clark A E 等根据T erfenol -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T erfenol -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.K iesewetter 利用T erfenol -D 棒研制成功一种尺蠖式马达,图

3为其结构示意图。

图3　尺蠖式马达示意图

Fig .3　Sketch m ap of cankerw orm -type motor

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

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T erfenol -D 棒组成,其共振频率可达2kH z 。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:ETRE MA 公司用T erfenol -D 制成了3kW 的超声换能器。用于废旧轮胎破碎,同时还用T erfenol -D 制成了超声手术刀

。

图4　超磁致方环换能器

Fig .4　G iant m agnetostrictive squ are -ring energy -transducer

(5)在其它方面应用由于G M M 的诸多优良特性,它还被广泛应用

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G M M 薄膜型执行器设计了微型泵,图5

为其示意图。

图5　G M M 薄膜泵示意图

Fig .5　Sketch m ap of G M M membrane -pump

11G M M 薄膜　21工作腔

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,G M M 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2H z 时,泵的输出流量可达10μL Πmin ,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

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