GMM在机械电子工程中的应用研究现状

李连合　刘海亮

摘 要：随着科技的进步，机械电子工程技术获得了较大的发展。而超磁致伸缩材料作为一种具有极大磁致伸缩系数的伸缩材料被应用在电子工程中得到了较多的关注，GMM材料的尺寸伸缩可以伴随外加磁场的变化而变化，这也正是将其运用在电子工程中的巨大优势。文中就GMM的优势和特点展开分析，并就其运用在机械电子工程中的具体情况进行了研究。

关键词：超磁致伸缩材料；机械电子工程；液压；控制阀

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

GMM在常温下因磁化状态的改变，其长度与体积将会随之变化。也就是说，GMM具有强大的磁致伸缩系数，因其多为稀土构筑，而又被称为超磁致伸缩材料。GMM材料具有较强的耐热温度性能，磁致伸缩性能极高，在普通室温下，就能保持较高的机械能与电能转换，且能量密度大、响应速度快，是目前运用在机械电子工程中非常重要的材料[1]。本文针对GMM材料的性能、优点及其在机械电子工程中的具体应用展开分析，并就其应用现状和发展前景进行探讨。

1 GMM的性能特点与优势分析

1.1 GMM概述

超磁致伸缩材料自身的尺寸会随着外加磁场的变化而变化，磁致伸缩系数大，远远大于传统的磁致伸缩材料，这也正是其优势所在。早在1971年，美国海军在进行表面武器实验时，在寻找磁致伸缩材料时发现了如TbFe2、DyFe2、SmFe2等具有较高磁致伸缩系数性能的材料。并且根据美国海军的相关实验得出，这些材料需要较高的磁场来驱动，这样一来就限制了材料的运用。后来，他们通过研制一些新的合金材料发现其具有很高的居里温度，而且还能提高其磁致伸缩性能，并能被广泛的应用起来，至此，磁致伸缩材料得到了较大的关注。

1.2 GMM的特点

在室温下，GMM具有很高的机械能转电能转换率，且能量密度大、可靠性高、响应速度快，能够方便简单进行驱动[2]。而正是因为这些特点和优势，使得GMM在机械电子工程中的应用得到了广泛关注，同时，也促进了电子信息系统、传感系统以及振动系统的改革。一方面，GMM的磁致伸缩系数非常大，甚至比Fe、Ni等多种材料多出几十倍，而且正是因为这样的性质，使得超磁致伸缩材料迅速得到发展。另一方面，因超磁致伸缩材料的能量转换高，甚至能够达到49%～56%，超越了压电陶瓷23%～52%的转换率，所以GMM更可以应用于制造高能量转换率的机电产品。

1.3 GMM的性能

相较于压电材料与传统磁致伸缩材料来讲，GMM有着巨大的优势。比如，在常温下，GMM磁致伸缩材料的伸缩应变较大，甚至可以达到Ni的 40～50倍，是压电材料的5～8倍；其能量密度高，远远超越了Ni等材料的能量密度；同时，GMM还具有超快的反应速度，可以在几十毫秒以内反应，有的甚至可以达到微秒级；不仅如此，GMM拥有强大的输出力，能够带动高强度的荷载。除此之外，超磁致伸缩材料的磁机耦合系数较大，所以其电磁机械能的转换效率也较高；不仅工作性能稳定，居里点温度高，而且在大功率的工作条件下，也不会因器件过热而导致磁致伸缩特性失效，而只需要进行冷却恢复[3]。最后，我们所知道的GMM材料工作频带宽，可以用于几百赫兹以下的低频但也同样适用于超高频。

2 GMM在机械电子工程中的应用现状

2.1 GMM在液压阀中的运用

所谓液压阀就是机械电子工程中液压传动系统中的一个控制元件，专门用于控制系统流体、调节流动压力以及流量的。通常这种液压阀中包括微型开关阀、比例阀以及单极电液伺服阀等环节都有使用超磁致伸缩材料。首先来说微型开关阀，其应用原理主要是通过利用薄膜伸缩效应来实现对控制阀的控制，当外界磁场为30 mT时，就是开关阀的最大开口量，这样一来就可以小小降低驱动磁场。对于比例阀的使用主要是通过发挥磁致伸缩棒来实现输出位对比例阀进行控制，当300 Hz时阀芯位达到0.122 1毫寸，最高驱动信号的频率就是5 kHz[4]。其次，对于单极电液伺服阀以采取闭环控制的措施，使其结构紧凑的同时，能够达到较高的紧密度；GMM运用于挡板型伺服阀时会扩大其压力控制范围，让其拥有较高的反应速度。

2.2 GMM在液压泵中的应用

所谓磁致伸缩泵就是利用磁场强度在GMM轴线上的分布，直接对液压泵的活塞进行驱动，以此来提高电磁机械的转化效率，达到较高的效率。而目前，人类已经退出类似于电池一样密闭性较强的GMM液压泵，这种泵也要具有较高的精度控制流，当外磁场变化频率为2 kHz时，可以将泵输出流量提高到10 L/min。不仅如此，很多国家已经研制出了GMM声纳换能器，能够广泛应用于水下通信、跟踪定位等方面，这些应用都是GMM得到了巨大的推广和发展。图1 所示为薄膜型磁致伸缩微型泵结构示意图[3]。

2.3 GMM在蠕动位移机械中的应用

所谓蠕动位移机械就是能够进行连续的步行运动的控制机械，类似于蝴蝶幼虫一样能够蠕动。这种机械的步距最小为4 nm，运动速度也是毫秒级的，目前主要运用于距离控制与机器人等方面。不仅如此，很多国外研究将其和压电晶体结合，还设计出了谐振型的马达，工作频率高达300 Hz，而在我国，蠕动位移机械也已经有了简单结构的成品，相信在未来，GMM运用在蠕动位移机械中还能发挥更大的作用。

2.4 GMM在新型电动机中应用

目前，对于应用GMM的新型电动机主要成果包括直线电机、蠕动电机以及Recherche马达[1]。一种超磁致伸缩直线电机能够达到较高的能量转化率，且继承了所有超磁致伸缩材料的优点，拥有超快的响应速度，可使用的温度范围广。不仅如此，这种电机还不容易发生疲劳退化等现象，对于能源供应的要求较低，适应很多类型的工作。

3 GMM在机械电子工程中的未来发展前景

前面说到，关于超磁致伸缩材料也就是GMM的研究已经有很长一段时间，并且有关于其新型功能周边机械电子工程应用的内容也越来越多。因此，GMM在机械电子工程中的应用研究逐渐成为了提高国家科技综合竞争力和国际势力的战略性措施。由上文可知，GMM有着高于传统伸缩材料和压电陶瓷环能材料的优势，是军用、民用的高科技产品，具有非常大的价值和应用前景，且市场不断扩大，市场需求不断加强[5]。

超磁致伸缩材料在外磁场作用下长度和位移都会发生变化，因此具有一定的做功功能，而在交变磁场中，超磁致伸缩材料会发生反复伸缩，产生振动或者声波，电磁能借助这样的声波和振动转化成机械能或者声能。相反地，也能通过振动或者声波将机械能转化为电磁能，以提高机械的转化率，完美运用在机械电子工程中[4]。迄今为止，全球已经有1000多种GMM相关器件产生，涉及的范围有航空航天、国防军事、电子生产等多个领域，这不仅有利于促进相关产业的提升，更能提高国家的综合实力。

最后，随着科技的进步和人们生活水平的提升，人们对于GMM运用在机械电子工程中的要求也逐渐提高。相信在不久的未来，GMM运用的领域会逐渐拓宽，其重要性也将逐渐突出。比如，我们可以将GMM运用在电子工业或者高精度自动控制行业；在海洋工业对还留分布、海下地质、地貌进行探测；也可运用于石油以及航空航天业。

4 结 语

综上所述，作为近年来运用在机械电子工程中的重要材料，超磁致伸缩材料的运用得到了广泛的关注，因其高度耐热的性能和磁致伸缩性能，再加上能量密度大、响应速度快等优势，值得我们进一步运用在多种领域中。相信在未来，我们还能够加快对GMM的研究，将其运用在多种领域，发展我国科技综合实力，创造更多的利益和财富。

参考文献

[1]朱小川.试析GMM在机械电子工程中的应用[J].中国机械，2014（24）：106-107.

[2]何汉林.GMM动态迟滞特性建模及其参数辨识[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[3]王传礼，方平，丁凡，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）：1-4，8.

[4]文玉梅，周丽萍，李平，等.GMM/PZT/GMM层合材料的纵振磁电响应[C].第11届全国敏感元件与传感器学术会议论文集，2009：31-33，40.

[5]蒋世祥，黄琪，丁凡，等.单片机在GMM蠕动微位移机械控制中的应用[J].电子工程师，2001，27（9）：1-2，18.

[6]王传礼.基于GMM转换器喷嘴挡板伺服阀的研究[D].杭州：浙江大学，2005.