国内外超磁致伸缩材料及作动器的

科技信息

1.超磁致伸缩材料的特点与应用

1.1超磁致伸缩材料的特点

磁致伸缩材料主要有三大类：磁致伸缩的金属与合金、铁氧体磁致

伸缩材料和稀土金属间化合物磁致伸缩材料。前两种称为传统磁致伸

缩材料，其磁致伸缩应变过小，没有推广应用价值。而稀土金属间化合物磁致伸缩材料也称为稀土超磁致伸缩材料。与其他智能材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有以下特点：应力负载大（可达700MPa）、能量转换率高（机电耦合系数可达0.75）、温度适应范围宽（小于200℃）、响应快（微秒级）、驱动电压低（小于30V）等。另外具有频率特性好，工作频带宽；稳定性好，无疲劳，无过热失效等优点。因此有专家认为，稀土超磁致伸缩材料可广泛应用到机械、电子、航天、农业等其他领域,是21世纪的战略材料。

1.2超磁致伸缩材料的应用分析

迄今已有1000多种超磁致伸缩材料器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率的超声波换能器。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。德国材料研究所已将超磁致伸缩薄膜材料应用于微型泵的研究之中。

随科技发展的日新月异，超磁致伸缩材料的重要性必将越来越突出，应用也将更广泛。预计未来超磁致伸缩材料的应用领域包括航空航天、超精密机械加工、海洋工程、汽车制造、石油产业等。

1.3超磁致伸缩材料在我国的研究与应用

在国内，北京钢铁研究总院于1991年率先制备出GMM棒材，此后又开展了低频水声换能器、光纤电流检测、大功率超声焊接换能器等的研究。北京科技大学采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料,减少了过程污染,杂质和氧含量低,合金成分控制准确,提高了材料的性能和产品的一致性；同时易于实现自动化控制,生产效率比传统工艺提高了100-150倍,成本大大降低。稀土冶金及功能材料国家工程研究中心研究的材料水平已接近国际先进水平并可小批量生产,另外还开发了廉价Terfenol-D生产亦达到实用水平。研究开发的大功率换能器及电磁阀取得初步结果。北京工商大学把超磁致伸缩材料用于电机技术，研制了超磁致伸缩谐波电机。

刘福贵等对超磁致伸缩力传感器进行了研究，建立了磁致伸缩力传感器输入输出关系的磁-机械强耦合模型,测试了超磁致伸缩棒材的磁致伸缩逆效应特性,设计了超磁致伸缩力传感器的结构,研制并制作了超磁致伸缩压力传感器的实验测试装置,对超磁致伸缩力传感器的输入-输出特性进行了实验研究。

李国平等为减少车削过程中车刀产生的振动对工件加工精度的影响,开发了一种车削振动控制系统。研究了超磁致伸缩执行器(GMA)和专用刀架的工作原理,并分别建立了它们的传递函数模型。根据人工免疫原理,设计了一种免疫PID控制器,并在数控(CNC)车床上进行了现场实验测试,结果证明该系统能很好地抑制车削加工时产生的振动干扰。李小鹏等针对汽车减震问题展开研究，综合考虑了汽车车身的固有振动特性，提出并设计了基于超磁致原理的汽车用磁控悬架方案,突破了以往汽车减振的工作模式,将超磁致伸缩材料同汽车工程有机结合起来。

2.国外超磁致伸缩作动器的发展

2.1超磁致伸缩直线作动器的研究

近几十年来超磁致伸缩作动器的研制与开发引起了国际上的极大关注。上世纪末，德国柏林大学Kiese Wetter教授利用超磁致伸缩材料棒制作了一种尺蠖式作动器，这是世界上第一台超磁致伸缩驱动器，已在造纸工业中进行商业化应用。该驱动器定子采用管状非磁性材料，当移动线圈通入电流且未知发生变化时，超磁致伸缩棒运动部分分别在纵向和径向上产生磁致伸缩变化，像虫子一样蠕动前进。它的最大驱动力可达到1000N，速度可达0.2m/s。Musoke等利用尺蠖原理和多相激励设计了一种大推力的直线电机，推力可达17N。

图1是Clark.A.E设计的尺蠖型直线电机。该电机的驱动机构两端各自装有一个闸片，当施加交变磁场时，电机的单步小位移将不断累加成为长行程的线性运动。

图1Clark提出的直线电机

2009年，Kim Won-jong等人发表了一种振动型超磁致伸缩直线电机，见图2。

图2Kim Won-jong提出的超磁致伸缩直线电机其主要性能参数：最大输出力410N，有效行程45mm。利用线圈（coils）产生磁场，该磁场为通过活动元件（active element）的运动磁场（magnetic field），当在定子（stator）与活动元件之间施加适当的预压力时，活动元件将做直线运动，运动的方向与磁场运动方向相反。该电机功率90W时，可产生410N推力，行程达45mm。

2.2超磁致伸缩旋转作动器的研究

1991年，美国的Vranish采用超磁致伸缩材料,利用Kiesewetter电机的原理开发出了转动式的步进马达。它的扭矩输出达12.2N·m，精度高达800μrad。

匹兹堡州立大学研究了一种新型超磁致伸缩旋转电机，该电机利用两个超磁致驱动器在两个相位差90°的正弦信号激励下能在定子中产生转动，再利用摩擦力带动转子运动，电机结构图如图1所示。

图3匹兹堡州立大学磁致伸缩旋转电机

2.3超磁致伸缩阀的研究

S.Karunanidhi等把超磁致作动器与放大机构结合起来用于高动伺服阀,实验研究发现该阀的响应快于传统伺服阀。

图4具有机械放大结构的超磁致伸缩作动器

3.超磁致伸缩作动器在国内的发展

3.1超磁致伸缩微位移作动器

贾振元等建立了执行器的微位移传递机构、磁路、驱动线圈及其冷却等几个关键部分的数学模型,并提出其设计理论和方法，同时研制了超磁致伸缩微位移执行器样机。浦军等基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性设计了一种用于微位移驱动的致动器，分析了致动器工作磁场的组成,计算了线圈的工作电流,并以此为依据设计了稳流电源。张磊等设计了一种微位移作动器，该作动器基本上工作在线性区域内，其位移伸缩量大，低频动态性能较好，高频谐波分量影响

国内外超磁致伸缩材料及作动器的研究

盐城工学院詹月林陈西府

［摘要］超磁致伸缩作动器具有推力强、反应快和分辨率高等特点,在精密定位、精密驱动、机器人、微型阀等领域展现了广阔的应用

前景。本文在介绍超磁致伸缩材料及其应用的基础上，分析了国内外超磁致伸缩作动器的研究动态、应用状况等，并对几类超磁致

伸缩作动器的原理、结构进行了阐述。最后提出了超磁致伸缩作动器的四个研究方向。

［关键词］超磁致伸缩材料作动器电机

执行器

（下转第164页）

—

—163