王澤源 山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東淄博 255000

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磁致伸縮材料及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用

王澤源 山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東淄博 255000

【文章摘要】

簡(jiǎn)單介紹了磁致伸縮材料，指出當(dāng)前性能良好并應(yīng)用廣泛的磁致伸縮材料的種類。對(duì)超磁致伸縮材料的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，比較國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域?qū)τ谶@種材料的應(yīng)用研究，提出我國(guó)應(yīng)加大對(duì)這方面的研究投入，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。對(duì)于在機(jī)械工程方面，主要是電機(jī)方面的應(yīng)用，著重對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行概述，介紹了應(yīng)用的大致原理。

【關(guān)鍵詞】

磁致伸縮材料；機(jī)械機(jī)電；旋轉(zhuǎn)電機(jī)；直線電機(jī)

0　前言

鐵磁體在外磁場(chǎng)中磁化時(shí)，其長(zhǎng)度及體積均發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象為磁致伸縮效應(yīng)。具有磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮材料可以將電磁信息轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移信息或聲信息，也可以反向轉(zhuǎn)換。這樣一來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)許多換能工作。由于磁致伸縮材料具有機(jī)械能與電能之間轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，所以在機(jī)械機(jī)電方面非常有優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高效率的能量轉(zhuǎn)換。

1　磁致伸縮材料的研發(fā)現(xiàn)狀

磁致伸縮材料主要有三大類：鎳和鎳基合金，壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱為PZT），稀土超磁致伸縮材料。稀土超磁致伸縮材料主要是指稀土-鐵系金屬間化合物。這類材料的磁致伸縮值達(dá)到1500×10-6～2000×10-6，比鎳和鎳基合金的磁致伸縮大約2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此被稱為稀土超磁致伸縮材料。

1.1國(guó)外有關(guān)超磁致伸縮材料的應(yīng)用研究

1991年美國(guó)依阿華大學(xué)的R.chung等開(kāi)發(fā)出一種超磁致伸縮激光二極管磁強(qiáng)計(jì)原型，精度為160×10-6μmA/m。美國(guó)海軍采用超磁致伸縮材料開(kāi)發(fā)了磁致伸縮應(yīng)變計(jì)，它動(dòng)態(tài)范圍更大，靈敏度和精度更高，并且它的溫度依賴性小，可測(cè)的頻帶更寬，可測(cè)應(yīng)變量最小達(dá)到3×10-10。日本東芝公司M.sahashi等發(fā)明了用磁致伸縮薄膜制作的接觸性扭矩傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)快，靈敏度比用傳統(tǒng)金屬電阻薄膜制成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變計(jì)高10倍。日本茨城大學(xué)江田弘和東芝公司的Kobayashi合作設(shè)計(jì)了定位精度達(dá)到納米級(jí)的超磁致伸縮致動(dòng)器，并將其成功地用于大型光學(xué)金剛石車床的微進(jìn)給裝置。螺線管式壓磁效應(yīng)扭矩傳感器為非接觸型扭矩傳感器，安裝方便，可檢測(cè)瞬時(shí)扭矩，并且靈敏度高，易于小型化，是當(dāng)前研究的主流。

1.2國(guó)內(nèi)有關(guān)超磁致伸縮材料的應(yīng)用研究

南京航空航天大學(xué)的顧仲權(quán)、朱金才等研究了磁致伸縮材料改動(dòng)器在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用，海軍工程大學(xué)的歐陽(yáng)光耀、施引研究了超磁致伸縮改動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，并將其作為振動(dòng)主動(dòng)控制的執(zhí)行器，取得了較好的振動(dòng)控制效果浙江大學(xué)的夏春林、丁凡等研究了超磁致伸縮改動(dòng)器在流體伺服器件中的應(yīng)用。今后有必要不斷進(jìn)行成分調(diào)整與摻雜研究，不斷改進(jìn)材料性能以克服現(xiàn)有器件在位移分辨率和響應(yīng)靈敏度等方面的不足，使超磁致伸縮材料能應(yīng)用到更多的新領(lǐng)域中。國(guó)內(nèi)在超磁致伸縮材料的制備方面已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但應(yīng)用研究則明顯落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)作為稀土大國(guó)，資源優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分的發(fā)揮和利用。

2　磁致伸縮材料在機(jī)械機(jī)電方面的應(yīng)用

磁致伸縮式電機(jī)利用磁致伸縮材料的伸縮位移直接轉(zhuǎn)化為電機(jī)輸出位移，其運(yùn)動(dòng)精度由材料的伸縮精度決定，由于GMM（超磁致伸縮材料）存在非線性，常用偏置磁場(chǎng)和預(yù)緊力等改善電機(jī)精度。電機(jī)可工作在非共振模式和共振模式下，高頻時(shí)渦流效應(yīng)使GMM內(nèi)部的磁場(chǎng)不均勻，降低材料的利用率，目前普遍認(rèn)為GMM最適合工作在低頻場(chǎng)合，0～5 kHz內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)優(yōu)于PZT；若工作頻率較高，需將GMM切片處理，把材料切割成薄片，以提高截比頻率減小渦流損耗。另一種減小渦流損失的方法是將稀土超磁致伸縮材料粉末與粘合劑合成磁致伸縮復(fù)合材料。

2.1在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)電機(jī)常由兩相互垂直的致動(dòng)器構(gòu)成，致動(dòng)器的微小位移使用橢圓殼結(jié)構(gòu)放大，當(dāng)致動(dòng)器激勵(lì)電流相位差為90°，定子質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)；也可改變直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)。雖然磁致伸縮材料相對(duì)于磁場(chǎng)的形變不具有方向性，但它處于環(huán)形磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)扭轉(zhuǎn)，也可基于該原理設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

2.1.1超磁致伸縮諧波電動(dòng)機(jī)

它主要由8個(gè)（或8個(gè)以上）超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、柔輪和剛輪三部分組成。其中由超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器組成波發(fā)生器。它的主要工作原理是：通過(guò)依次控制超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的伸縮位移，使柔輪產(chǎn)生流動(dòng)的彈性變形，根據(jù)諧波傳動(dòng)原理，若柔輪固定，剛輪產(chǎn)生低速旋轉(zhuǎn)輸出，若剛輪固定，柔輪產(chǎn)生低速旋轉(zhuǎn)輸出，實(shí)現(xiàn)電磁能到機(jī)械能的變換。

2.2在直線電機(jī)中的應(yīng)用

機(jī)器中除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還有不少直線運(yùn)動(dòng)。這些直線運(yùn)動(dòng)多數(shù)采用旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪、帶、滾珠絲杠等傳動(dòng)裝置，進(jìn)行力矩、速度、運(yùn)動(dòng)方式的變換。由于有中間傳動(dòng)裝置，所以整部機(jī)器存在著體積大、效率低、精度差等問(wèn)題。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相對(duì)應(yīng)，直線電機(jī)是一種利用電能產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，它可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)。其最大優(yōu)點(diǎn)是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)之間的一切中間環(huán)節(jié)，把工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，即“零傳動(dòng)”或“直接傳動(dòng)”。直線電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞力，沒(méi)有機(jī)械損耗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，容易密封，不怕污染，適應(yīng)性強(qiáng)。

2.2.1磁致伸縮式慣性直線電動(dòng)機(jī)

傳統(tǒng)的慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)一般采用壓電功能材料驅(qū)動(dòng)，也就是利用壓電陶瓷晶體逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。壓電式慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)是利用壓電材料在迅速通電或斷電時(shí)的快速變形產(chǎn)生慣性沖擊，繼而形成驅(qū)動(dòng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問(wèn)題，因而在交大功率場(chǎng)合應(yīng)用受到限制。

通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)將超磁致伸縮棒一端固接慣性質(zhì)量塊，另一端固接移動(dòng)體，磁致伸縮棒外部繞由電磁線圈。另外，結(jié)構(gòu)中需要預(yù)緊裝置，采用彈簧可提供一定的預(yù)壓力，以消除間隙，特別當(dāng)電磁線圈上的電流減小，超磁致伸縮棒回縮時(shí)，彈簧迫使質(zhì)量塊回位，使質(zhì)量塊始終與超磁致伸縮棒緊密接觸。對(duì)慣性沖擊式直線電動(dòng)機(jī)施加快升緩降或緩升快降的鋸齒波信號(hào)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)元件和慣性質(zhì)量塊組成的沖擊體會(huì)對(duì)電機(jī)主體產(chǎn)生慣性沖擊力。當(dāng)這個(gè)反向沖擊力大于移動(dòng)體與外界的摩擦力時(shí)，機(jī)構(gòu)就可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；當(dāng)這個(gè)反向沖擊力小于或等于移動(dòng)體與外界的摩擦力時(shí)，機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)。通過(guò)控制信號(hào)的頻率、波形和幅值，能夠?qū)崿F(xiàn)不同步長(zhǎng)的雙向連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

3　結(jié)語(yǔ)

磁致伸縮材料的研發(fā)和應(yīng)用，使工作效率得到大大提高，對(duì)機(jī)械電子方面技術(shù)的改善非常可觀。所以，為了促進(jìn)高新技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要繼續(xù)研發(fā)和改進(jìn)磁致伸縮材料的產(chǎn)品，尤其是性能更優(yōu)的超磁致伸縮材料產(chǎn)品，為科技事業(yè)的騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。