GMM在机械电子工程中的运用

姜玉东

摘要：超磁致伸缩材料的简称为GMM，其是一种能够实现电—磁—机械能转化的新型材料，基于GMM伸缩性能的优势，逐渐被军事、航天以及机械工程等行业采用，尤其是当前的机械电子工程领域，采用GMM这种材料能够实现相应研发设计的进一步提升。文章首先阐述了GMM的优势性能特点，其次对GMM在机械电子工程中的实际应用展开了探讨。

关键词：GMM；机械电子工程；超磁致伸缩材料；液压泵；超精密机床；液压控制阀 文献标识码：A

中图分类号：TH703 文章编号：1009-2374（2015）31-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.030

GMM这一新型材料诞生于20世纪70年代，是由美国海军武器中心所研发出来的，目前美国、日本以及瑞典等国在这一技术的应用上处于领先地位，我国当前也能够实现小批量的生产。因GMM本身所具备的优势性能使其从诞生起就成为相关领域所关注的焦点，进而逐渐被应用在包括机械电子工程等在内的很多领域中。本文针对当前GMM在机械电子工程中的实际应用进行了研究与探讨，试图在分析GMM应用于这一领域优势作用的基础上，为实现GMM在国内的推广提供参考。

1 GMM的性能特点概述

与传统的伸缩材料相比，GMM所具有的优势性能特点表现在以下方面：与Ni、Co、PZT相比，GMM在温室下的伸缩应变能力更强、能量密度高、相应速度快、输出力大，并且GMM的磁机耦合系数很大，进而能够将电磁能迅速地转化为机械能，同时GMM不仅功率大，还相对很稳定，此外，GMM的声速很低。GMM在室温下的伸缩应变能力大约是Ni的50倍左右，而是PZT的至少6倍以上，在密度上是前者的500倍、后者的20倍以上，在相应速度上，GMM只需要以毫秒计量，在输出力上能够达到近800N。GMM的稳定性表现在其能够高居里点温度时伸缩性能暂时性消失，会随着温度的下降而逐渐恢复性能，并不会失去性能。这是因为GMM具备了如上的优势性，能使其被很多领域所采用，尤其是在机械电子工程领域，GMM的应用价值更为凸显。

2 GMM在机械电子工程中的实际应用

2.1 GMM在液压泵上的应用

当前，日本等国家已经研发出了基于GMM下的最新型液压泵，其是在栓塞式液压泵上采用了GMM来实现对活塞的直接驱动，并将其制成形如一节电池样式的密闭性GMM泵。比如：当前日本所研制的GMM泵不仅具备响应快的优势，同时还能够实现对电流量的高精度控制，其流量能够通过对磁场频率的改变而改变，这就能够很好地满足当前对于精密度控制要求高的行业领域，比如医疗行业。

2.2 GMM在超精密机床加工控制上的应用

GMM精密位置控制能够为超精密机床加工控制提供更好的效果，这是因为GMM本身在超精密位置控制上具有无与伦比的优势。当前，日本已经将GMM转换器应用到相应设备的研发中，并且在应用到超精密机床加工中，能够将精密度控制在纳米级，也就是能够实现超精密机床加工的高质量控制。而国内当前在超精密机床的加工上也将GMM应用到了设计之中，并对相应的控制方法与系统进行了跟踪模拟实验，结果发现这一设计能够有效地降低误差，进而满足设计需求。

2.3 GMM在液压控制阀上的应用

以传统材料为基础的液压控制阀在实现电能到机械能的转化上都是借助电磁铁等来实现的，而自GMM诞生以来，相关研究领域都将液压控制阀的设计方向定位到了对GMM的应用，进而通过GMM优势性能来实现电到机械能的有效转化，以提高液压系统的整体性能。当前瑞典已经在这一研究上取得了遥遥领先的进展，并申请了相关产品的专利，以GMM转化器为基础所设计出的直动式伺服阀的结构如图1所示，这一设计的优势特点体现为：采用了闭环控制，并且整体结构十分紧凑，具有高精密度以及高响应速度。而国内在这一研究上的主要成果来自于浙江大学，其是以GMM对内燃机等的电磁阀结构进行了设计，以实现对相应部分性能的进一步提升。

图1 直动式伺服阀

2.4 GMM在蠕动机床上的应用

蠕动机床的原理是通过直线运动来实现电能到机械能的转换，这一装置能够被应用到机器人等研究上。当前，现有的研究成果中比较有代表性的是J.Emineral等人以GMM和压电晶体相结合所设计出的谐振型蠕动马达，而国内相关研究领域基于GMM棒设计出了移动微位移机械，这一设计不仅在结构上实现了简化，同时能够随着电压的变化而变化，同时能够实现双向控制。

2.5 GMM在新型电动机上的应用

当前，美国以及瑞典等国家已经将GMM应用到了相关的研究领域，其是用GMM或者与GMM相结合使用的压电材料，进而实现直线以及振动两种形式的电动机，同时实现了相关产品专利的申请。比如C.Frank等人所设计出的振动型电动机，采用了两个线性驱动器以及一个圆环装置，进而依靠圆环顶部的振动来实现驱动，最高转速能够达到100R/s。在直线型电动机的研发上，J.M.等人设计出了相应的电动机模型，并在跟踪实验下证明了这一电动机的优势特点，即精密度高且能够实现自制定能力以及双向运动。

2.6 GMM在声纳转化器上的应用

关于声纳转换器应用GMM的研究起步于20世纪70年代的美国海军，当前在这一技术上具有突破性进展的主要以英国以及日本等为典型代表，GMM在声纳转化器应用上的实现被进一步使用在了航海以及油田探测等领域中。而国内在这一领域的研究上取得较大进展的是中科院以及北京钢铁总院，其将GMM应用到声纳转化器上，能够将共振的频率控制在2.3kHz，且发射电流的灵敏度较高。

2.7 GMM在机械电子工程其他领域中的应用

当前，GMM除了在上述领域中得到的应用，还在线性马达、声表面波以及噪音控制等方面实现了应用研究，同时已经有很多相关的专利诞生，还有一些研究已经取得了很大的进展或者具有良好的发展空间与前景。这些领域科研事业的进步程度直接关系到GMM能否尽快实现普及性的推广，进而为各行业领域的发展奠定基础。

3 结语

综上所述，GMM这种新型材料的诞生促进了整个相关领域技术的进一步完善，而对于相关应用领域来说，GMM的应用能够为设计效果以及生产效率等的提升提供技术优势。对于我国来讲，我国地大物博，稀土资源富有，进而具备了研发GMM这一新型功能材料的基础，这就使GMM在国内具备了良好的发展空间与应用前景。而如何依靠我国的资源来实现GMM材料的大规模生产，并将GMM广泛地应用到相关行业领域中，亟待解决。对于机械电子工程领域来讲，GMM本身的研发处于起步阶段，而要想确保GMM在机械电子工程中的应用能够切实发挥出自身的优势作用，还有赖于当前研发设计工作的进一步进展。但是，不可忽略的是当前我国在相关方面的研究成果已经为机械电子工程领域的进一步发展奠定了扎实的基础。

参考文献

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（责任编辑：陈 倩）endprint