【文章內(nèi)容簡介】 馬達中的應用 F． Claeyssen 利用 Terfeno1D棒 成功 研制 出 一種尺蠖式馬達 。 當 馬達 線圈中通人電流并且位置發(fā)生變化時 ， 會出現(xiàn)的現(xiàn)象是 超磁致伸縮棒 會產(chǎn)生 交替伸縮 現(xiàn)象 ，從而像蟲子一樣蠕動前進。美國 的研究者 J． 等利用 GMM 的 蠕動原理， 設計出 轉(zhuǎn)動式步進電機。 3， 在振動控制領域中的研究 日本的 研究者 K、 O h mate K 設計了三連桿臂型半主動振動控制裝置 ， 這種裝置可減緩由 地震 、 強風等產(chǎn)生的振動 。 美國 的研究者 M、 A njanappa 等 第一次計算 出 超磁致伸縮致動器基本數(shù)學模型 ，其是在 考慮熱效應的 條件下得出 ,這一成果的出現(xiàn)是他們在原有基礎上進行改進。 4， 在流體機械 領域 中的應用 第二章 基于 GMM 新型線控制動系統(tǒng)執(zhí)行機構設計 8 目前 ，各種閥門、燃油噴射系統(tǒng)和微型泵都用到 超磁致伸縮 磁電 — 機械換能器 。 日本用 TerfenolD制成了微型隔膜泵 ， 瑞典 AB 公司用 TerfenolD為驅(qū)動元件設計了流體泵 。英國 San Te chnology 公司的 研究員 A、 D、 Bushko， 和 J、 H, Goldie 用 TerfenolD棒制成了微型高壓隔膜泵 。 GMM 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在 GMM 運用領域的研究起步時間較晚于西方國家。 2 0 世紀 8 0 代中期 ， 北京鋼鐵研究總院 對 稀土超磁致伸縮材料進行研究 是國內(nèi)第一家 。 此后 ， 國內(nèi)其它單 也在這一領域研究 ，主要包括 中科院沈陽金屬研究所、 中 國 科 學 院北京物理研究所 、 冶金部包頭稀土研究院、 蘭州天星公司 。在一些高校中也進行相關的研究例如 浙江大學、大連理工大學、北京科技大學等 。 七 一五研究所在多邊形水聲換能器方面進行了的研究。中 國 科 學院聲學研究所 和冶金部鋼鐵研究總院 使用國產(chǎn)超磁致伸縮材料 制 做 出 了 功率 較 大 ， 頻率 較 低的 聲納 。 甘肅天星稀土功能材料有限公司研制 出磁致 伸縮 系數(shù)較大的材料 ， 并利用此材料制作出智能振動實效裝置設備 [11]。 2020 年， 大連理工大學的 楊興、賈振元 研究 超磁致伸縮微位移執(zhí)行器，這種執(zhí)行器 具有 感知 位移 功能 [12]。 2020 年，浙江大學唐志峰在超磁致伸縮執(zhí)行器的 基礎理論 方面 進 行 論述與實驗研究 [13]。 清華大學的李翠紅等設計了一種蠕動機構 ，是 利用超磁致伸縮微驅(qū)動器[14]。 2020 年 ， 杭州電子科技大學的孟愛華等 在脈沖噴射開關閥進行研究，其動 力源是超磁致伸縮執(zhí)行器 [15]。 GMM 棒的選取 磁致伸縮的 原理 磁致伸縮是鐵磁材料在 外加磁場被磁化時 產(chǎn)生晶格變形的宏觀表現(xiàn) ,。鐵磁質(zhì)在量子交換力的作用下發(fā)生自發(fā)磁化 ,內(nèi)部形成一個個小的“自發(fā)磁化區(qū)” ,稱為 磁疇。每個磁疇內(nèi)均存在磁矩 , 磁矩 的取向一般為所有“最易磁化方向”中的某一個； 在未被極化時 ,鐵磁質(zhì)中各磁疇內(nèi)的自發(fā)磁化方向不同 ,其統(tǒng)計平均磁矩值為零 ,因而在宏觀上不呈現(xiàn)磁性[16]。 它的形成原因如下圖所示： 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 9 圖 21 不同磁場下磁矩變化情況 (H:平均磁化磁場強度 。Hs:外磁 場強度 ) 當存在外加磁場時 ,各個磁疇的磁化強度方向 將 發(fā)生改變。首先是磁疇間的邊界發(fā)生移動 ， 當外磁場 強度加大時 ,磁疇內(nèi)的磁矩逐漸旋轉(zhuǎn)到與外磁場 方向一致 。如果 外磁場 強度繼續(xù)加大 ,鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁化強度也 基本上不再增加。 外磁場 存在 時 ,大量磁疇的磁化方向和 外磁場方向 趨同 ,同時 晶格 會發(fā)生 變形 ,宏觀上即表現(xiàn)為磁致伸縮現(xiàn)象。 壓力和磁場對磁致伸縮的影響 GMM 的主要 參數(shù)有 : 彈性模量 E、 磁致伸縮系數(shù) ? 、 磁導率 ? 、動態(tài)磁致伸 縮系數(shù) d、逆動態(tài)磁致伸縮系數(shù) 39。d 和機電耦 合系數(shù) k等 [17]。 GMM 內(nèi)部磁能與機械能 (彈性能 )相互轉(zhuǎn)換的效率 用系數(shù) k用來衡量 ,它們分別由下述各式給 出： ll/??? （ 21） const??? ???? ?? （ 22） constd ??????? （ 23） congst????????? （ 24） constd ?????? ?, （ 25） 式中 , △ l:長度改變量 。l:原始長度 。? :應力 。H:磁場強度 。B:磁感應強度。 圖 22是 磁致伸縮系數(shù) ? 隨驅(qū)動磁場強度 H在 不同壓應力下 TerfenolD的軸向 變化曲線。 在圖中可得出 :當預壓應力 大小 處于 714MPa 范圍內(nèi) , H?? 曲線族都有較大的線性第二章 基于 GMM 新型線控制動系統(tǒng)執(zhí)行機構設計 10 區(qū) 。 圖 22 不同壓應力下λ —— H曲線 超磁致伸縮致 動器靜態(tài)模型 超磁致伸縮致 動 器的靜態(tài)模型主要包括 兩部分： 靜態(tài)位移輸 出特性和力輸出特性 [18]。超磁致伸縮致動器的 力輸出特性、 靜態(tài)位移 輸出特性 與致動器 結(jié)構尺寸、 GMM 特性參數(shù) 、內(nèi)應力狀態(tài)、 勵磁電流等直接相關。 超磁致伸縮致動器的位移輸出特性是指 致動器 輸入 的 電流與 輸出 的 位移 的 關系， 當邊界條件和自變量 不同 時 ,磁致伸縮本構方程 將會 存在 不同的形式 ,由于 此次設計的 致動器利用的是 GMM 棒的軸向磁致伸縮效應 ,因此只需考慮其軸 向磁致伸縮本構方程 [19]。 則 GMM棒 軸向的磁致伸縮本構方程為 ： Tds ???? ?? ??? 333333333 （ 26） ?? ??3333333 ?? ?d （ 27） 式中 s?33 ：磁場 恒定時的縱向柔度系數(shù) ； ?3 ：軸向應變； d33 ： 軸向動態(tài)磁致伸縮系數(shù) ； ?3 ： 軸向應力 ； ?33 ： 熱膨脹系數(shù) ； 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 11 ?3 ： 平均驅(qū)動磁場強度 ； ??33 ： 壓應力恒定時的磁導率 ； ?3 ： 磁感應強度 ； ??：溫升； 據(jù)磁通連續(xù)性原理有 下公式 : ??? ?? 321 （ 28） 由安培環(huán)路定律 可得出 : ???F = llll ii 332211 ???? ? ?? ? （ 29） 在一段不分支的磁路中 ,如果 處材料相同、橫截面積相等 ,則磁感應強度 也 處處相等 [20]。 于是由磁通和磁阻的定義 得出 : Rllu ll iiuuuiiiiiiiiiii ???????? ???? ?? （ 210） 結(jié)合上式： 將主勵磁線圈的總安匝數(shù) NI 代入式 (210)即可算出其激勵場強 : )/()( 3 133 ??? ???? i Mia c tua c tu R? （ 211） 總的平均驅(qū)動磁場強度 是 主激勵磁場強度 和偏置場強 度 的疊加 得出以下等式 : ?????? ?????? ? b ia si Mia c tub ia sa c tu R )/()( 3 1333 ? （ 212） 將求得的 相應的超磁致伸縮材料特性參數(shù) 和平均驅(qū)動磁場強度 代入式 (21)可得驅(qū)動棒的軸向應 變 3? : ??????? ??? ?? ???? 333 133333333 ])/()[( b ia si Mia c tu Rds NI （ 213） 于是 可得出超磁致伸縮致動器的靜態(tài)輸入電流與 輸出位移關系式。 第二章 基于 GMM 新型線控制動系統(tǒng)執(zhí)行機構設計 12 }])/()[({ 333 133333333 ??????????? ??? ??? b ia si mia c tu Rdsll （ 214） 由式 (214)可得到驅(qū)動棒內(nèi)的應力 : SRAd Hb ia si Mia c tuNIll 333 133333333 /]})/()[(/{ ?? ??????? ???? （ 215） 于是 ,超磁致伸縮致動器的輸出力 f為 : ]})/()[({ 3 1333333333333 ?? ?????????? b ia si Mia c tuH RS ANIdTllAAf ??? （ 216） 由上式可以看出 :輸出力 f的大小 與稀土超磁致伸縮棒的應變 大小 有關 。當△ l為 0時 ,其可能輸出最大力 為 : ]})/()[({ 3 13333333m a x HR b ia si Mia c tuH ANIdSAf ????? ???? （ 217） 上式得出的結(jié)果是 超磁致伸縮致動器的輸出力與輸入電流間的靜態(tài)關系。 計算稀土超磁致伸縮棒的尺寸 對于中、低頻致動器 ,超磁致伸縮棒的伸長量 等于其設計 的 最大輸出位移 。 則超磁致伸縮棒的計度 : jjjj xll ?? m ax??? （ 218） 將 j? 根據(jù)所選超磁致伸縮棒的尺寸規(guī)格進行取整 整即得 ， 設計長度所選的 jl 應大于等于 j? 。超磁致伸縮棒的直徑 dGMM 與 最大輸出力 FMAX 滿足 以下關系 : 4 )(2d G M MYJm sx EF ??? ?? （ 219） 式中 ,E為超磁致伸縮棒的彈性模量。 因為 目前國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一 稀土超磁致伸縮材料的尺寸規(guī)格標準 ,所以各生產(chǎn)單位通常 根據(jù)用戶要求進行各種尺寸的加工 [21]。 國內(nèi) GMM 產(chǎn)品主要性能指標 (磁致伸縮系數(shù)、磁機耦合系數(shù) )均接近國外產(chǎn)品，而價格僅是國外公司的 2030%， 所以 選擇國內(nèi) GMM 產(chǎn)品更符合技術經(jīng)濟性原則。 下表是各公司生產(chǎn)的 GMM 材料參數(shù)。 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 13 表 21 各公司 GMM參數(shù) 參數(shù) 甘肅天星 臺州椒光 有研稀土 磁致伸縮率（ 106） ≥ 1 000 (80kOe,10MPa) 800～ 1 200 (,10MPa) 1 500 (3kOe,10MPa) 楊氏模量 1010N/m2 ～ 抗拉強度 MPa ≥ 25 ≥ 25 抗壓強度 MPa ≥ 260 ≥ 250 熱膨脹系數(shù) 106/℃ 8 ～ 12 8～ 12 居里溫度℃ 380 380 380 磁機耦合系數(shù) ～ ～ ～ 聲速 m/s 1 700 ～ 2 600 1 700～ 2 700 1 600～ 2 500 能量密度 kJ/m3 14 ～ 25 14～ 25 電阻率 108Ω .m (60 ～ 130) 60 60～ 140 相對磁導率 3 ～ 15 40～ 100 3～ 15 比熱 kJ/ 作品選用甘肅天星稀土功能材料有限公司提供的 GMM 棒，幾何參數(shù)為φ 20 50mm。 H 型柔順機構 的 介紹 設計使用的力傳遞裝置是 H型柔順機構，機構的一端裝有 GMM 棒，另一端裝有制動片，當 GMM 棒受磁場影響尺寸發(fā)生變化時，會由 GMM 棒軸向產(chǎn)生力。此力沿著 H 型機構傳遞到制動片，在裝有 GMM 棒的一端也裝 有一個回復彈簧。它的作用是： GMM 棒尺寸變小時， 以產(chǎn)生一回復里使 H 型機構恢復原狀。因為此機構要具有柔順，因此制 作此機構的材料是鋼。經(jīng)過進一步查閱相關資料和計算，此機構尺寸比是 1:3，也即 GMM 棒中點與鉸接點的距離和制動片中點與鉸接點距離比為 1:3，這種設計可使位移放 大 3倍。 磁感線圈 的設計 確定線圈的長度和內(nèi) 、外徑 根據(jù) H型柔順機構與線圈骨架，線圈長度為 39mm。 線圈的內(nèi)半徑 R為 : 第二章 基于 GMM 新型線控制動系統(tǒng)執(zhí)行機構設計 14 gji edR ?? 21 （ 220） GMM 棒的半徑為 10mm，考慮到線圈骨架的影響， 線圈內(nèi)徑為 線圈的外半徑 R為 : iveeRR ??? 12 （ 221） 經(jīng)計算線圈外徑為 38mm 上述兩式中 ,egj :線圈骨架厚度 。eiv :絕緣材料厚度 計算 線圈導線直徑 實際工作中，