磁致伸缩材料及其在机械工程中的应用

2016-03-30王泽源山东理工大学机械工程学院山东淄博255000

电子制作 2016年8期

王泽源山东理工大学机械工程学院山东淄博 255000

磁致伸缩材料及其在机械工程中的应用

王泽源山东理工大学机械工程学院山东淄博 255000

【文章摘要】

简单介绍了磁致伸缩材料，指出当前性能良好并应用广泛的磁致伸缩材料的种类。对超磁致伸缩材料的研发现状进行了总结，比较国内外不同领域对于这种材料的应用研究，提出我国应加大对这方面的研究投入，达到国际先进水平。对于在机械工程方面，主要是电机方面的应用，着重对两种电机进行概述，介绍了应用的大致原理。

【关键词】

磁致伸缩材料；机械机电；旋转电机；直线电机

0　前言

铁磁体在外磁场中磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的磁致伸缩材料可以将电磁信息转化为机械位移信息或声信息，也可以反向转换。这样一来，就可以实现许多换能工作。由于磁致伸缩材料具有机械能与电能之间转换的特点，所以在机械机电方面非常有优势，可以实现高稳定性、高效率的能量转换。

1　磁致伸缩材料的研发现状

磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金，压电陶瓷材料（简称为PZT），稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料主要是指稀土-铁系金属间化合物。这类材料的磁致伸缩值达到1500×10-6～2000×10-6，比镍和镍基合金的磁致伸缩大约2个数量级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。

1.1国外有关超磁致伸缩材料的应用研究

1991年美国依阿华大学的R.chung等开发出一种超磁致伸缩激光二极管磁强计原型，精度为160×10-6μmA/m。美国海军采用超磁致伸缩材料开发了磁致伸缩应变计，它动态范围更大，灵敏度和精度更高，并且它的温度依赖性小，可测的频带更宽，可测应变量最小达到3×10-10。日本东芝公司M.sahashi等发明了用磁致伸缩薄膜制作的接触性扭矩传感器，其动态范围大、响应快，灵敏度比用传统金属电阻薄膜制成的扭转应变计高10倍。日本茨城大学江田弘和东芝公司的Kobayashi合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器，并将其成功地用于大型光学金刚石车床的微进给装置。螺线管式压磁效应扭矩传感器为非接触型扭矩传感器，安装方便，可检测瞬时扭矩，并且灵敏度高，易于小型化，是当前研究的主流。

1.2国内有关超磁致伸缩材料的应用研究

南京航空航天大学的顾仲权、朱金才等研究了磁致伸缩材料改动器在振动主动控制中的应用，海军工程大学的欧阳光耀、施引研究了超磁致伸缩改动器的设计方法，并将其作为振动主动控制的执行器，取得了较好的振动控制效果浙江大学的夏春林、丁凡等研究了超磁致伸缩改动器在流体伺服器件中的应用。今后有必要不断进行成分调整与掺杂研究，不断改进材料性能以克服现有器件在位移分辨率和响应灵敏度等方面的不足，使超磁致伸缩材料能应用到更多的新领域中。国内在超磁致伸缩材料的制备方面已基本达到国际先进水平，但应用研究则明显落后于西方发达国家。我国作为稀土大国，资源优势没有得到充分的发挥和利用。

2　磁致伸缩材料在机械机电方面的应用

磁致伸缩式电机利用磁致伸缩材料的伸缩位移直接转化为电机输出位移，其运动精度由材料的伸缩精度决定，由于GMM（超磁致伸缩材料）存在非线性，常用偏置磁场和预紧力等改善电机精度。电机可工作在非共振模式和共振模式下，高频时涡流效应使GMM内部的磁场不均匀，降低材料的利用率，目前普遍认为GMM最适合工作在低频场合，0～5 kHz内的能量转换效率远优于PZT；若工作频率较高，需将GMM切片处理，把材料切割成薄片，以提高截比频率减小涡流损耗。另一种减小涡流损失的方法是将稀土超磁致伸缩材料粉末与粘合剂合成磁致伸缩复合材料。

2.1在旋转电机中的应用

旋转电机常由两相互垂直的致动器构成，致动器的微小位移使用椭圆壳结构放大，当致动器激励电流相位差为90°，定子质点椭圆运动；也可改变直线电机的结构实现旋转电机的设计。虽然磁致伸缩材料相对于磁场的形变不具有方向性，但它处于环形磁场中时会扭转，也可基于该原理设计旋转电机。

2.1.1超磁致伸缩谐波电动机

它主要由8个（或8个以上）超磁致伸缩驱动器、柔轮和刚轮三部分组成。其中由超磁致伸缩驱动器组成波发生器。它的主要工作原理是：通过依次控制超磁致伸缩驱动器的伸缩位移，使柔轮产生流动的弹性变形，根据谐波传动原理，若柔轮固定，刚轮产生低速旋转输出，若刚轮固定，柔轮产生低速旋转输出，实现电磁能到机械能的变换。

2.2在直线电机中的应用

机器中除了旋转运动外，还有不少直线运动。这些直线运动多数采用旋转式电动机，通过齿轮、带、滚珠丝杠等传动装置，进行力矩、速度、运动方式的变换。由于有中间传动装置，所以整部机器存在着体积大、效率低、精度差等问题。与旋转电机相对应，直线电机是一种利用电能产生直线运动的电机，它可以直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作台之间的一切中间环节，把工作台进给传动链的长度缩短为零，即“零传动”或“直接传动”。直线电机可实现无接触传递力，没有机械损耗，结构简单，工作稳定，寿命长，容易密封，不怕污染，适应性强。

2.2.1磁致伸缩式惯性直线电动机

传统的惯性冲击直线电动机一般采用压电功能材料驱动，也就是利用压电陶瓷晶体逆压电效应，将电能转化为机械能。压电式惯性冲击直线电动机是利用压电材料在迅速通电或断电时的快速变形产生惯性冲击，继而形成驱动能力来实现精密位移的一种驱动机构。但是由于压电材料存在有缆驱动、变形量小、功率密度小、高电压驱动的不足，导致现有的压电式惯性冲击直线电动机存在运动稳定性较差、运动速度慢、负载能力弱、可靠性低的问题，因而在交大功率场合应用受到限制。

通过适当的结构将超磁致伸缩棒一端固接惯性质量块，另一端固接移动体，磁致伸缩棒外部绕由电磁线圈。另外，结构中需要预紧装置，采用弹簧可提供一定的预压力，以消除间隙，特别当电磁线圈上的电流减小，超磁致伸缩棒回缩时，弹簧迫使质量块回位，使质量块始终与超磁致伸缩棒紧密接触。对惯性冲击式直线电动机施加快升缓降或缓升快降的锯齿波信号时，由驱动元件和惯性质量块组成的冲击体会对电机主体产生惯性冲击力。当这个反向冲击力大于移动体与外界的摩擦力时，机构就可以产生运动；当这个反向冲击力小于或等于移动体与外界的摩擦力时，机构保持不动。通过控制信号的频率、波形和幅值，能够实现不同步长的双向连续运动。