超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用 - 文章

超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用

作者：贾振元杨兴武丹郭东明

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摘要：超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，可用于机器人、阀门、微动工具、精密加工、微机电系统和声纳系统等领域。本文介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状，并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。
关键词：超磁致伸缩；执行器；流体控制元件

引言

液压伺服系统的性能主要取决于组成该系统的阀、泵各液压马达等流体控制元件的性能。因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。传统的流体控制元件主要采用电动机、电磁铁作为驱动元件。近年来，随着一些新型材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。超磁致伸缩材料就是一种新型的电（磁）一机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大、能量密度高、响应速度快等特性，国外已将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中，并取得了一些进展。本文就这方面情况做些介绍。

1超磁致伸缩执行器

（1）超磁致伸缩材料

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩材料（Fe、Co、Ni等），超磁致伸缩材料，是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y。式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般为0.27～0.35，y为0.1～0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为Terfenol-D（美国的Edge Technologies公司）或Magmek86（瑞典Feredyn AB公司）代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。

与压电材料（PZT）及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大（1500～2000ppm），是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电耦合系数大；响应速度快（达到μs级）；输出力大，可达到220～880N。

由于超磁致伸缩材料的上述优良性能，因而在许多领域尤其是在执行器中的应用前景良好。

（2）超磁致伸缩执行器

超磁致伸缩执行器的结构简单、位移大、输出力强、易实现微型化、并可采用非接触式驱动。按结构超磁致伸缩执行器可分为以下三种类型：

①直接驱动型

这种超磁致伸缩执行器主要采用棒状超磁致伸缩合金直接驱动执行器件，不采用放大机构，其一般结结构如图1所示。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定压力下工作。图中上下两块永久磁铁用来提供一定的偏磁场，使超磁致伸缩棒在合适的线性范围内工作。这种超磁致伸缩执行器的结构相对简单、位移大、输出力强，主要被应用于水声换能器、新型马达、微位移控制器和流体阀中。

图1超磁致伸缩执行器

②位移（力）放大型

位移（力）放大型超磁致伸缩执行器根据原理可分为杠杆放大式和液压放大式两种。杠杆放大式超磁致伸缩执行器主要采用杠杆机构来得到较大的位移或力的输出，还可以采用两种类型的超磁致伸缩棒，即一根具有正的，另一根具有负的超磁致伸缩系数来获得更好的效果。具体原理如图2所示。液压放大压式超磁致伸缩执行器主要应用了流体力学中的帕斯卡定理，它的具体原理将在后面介绍。

图2具有正负磁致伸缩棒及预应力杆的运动放大器

③薄膜型

目前，在超磁致伸缩材料的应用领域出现了一个新的研究热点——薄膜式超磁致伸缩微执行器的开发与应用［7］。下面是在微型流体控制文件中应用较多的薄膜式超磁致伸缩微执行器的原理。

如图3所示，这类执行器主要采用一些传统的半导体工艺，在非磁性基片的上、下表面分别镀上具有正、负超磁致伸缩特性的薄膜材料，当外加磁场变化时，薄膜会产生变形，从而带动基片偏转和弯曲以达到驱动目的。与通常的超磁致伸缩执行器相比，薄膜型超磁致伸缩微执行器成本较低，并且由于薄膜中的二维磁弹性相互作用又使其具有一些新的功能，这对超磁致伸缩材料的实际应用具有重要意义。

图3薄膜式超磁致伸缩微执行器原理

2超磁致伸缩执行器在流体控制系统中的应用

（1）燃料注入阀

瑞典一家公司将Terfenol-D用于燃料注入阀，并申请了专利，其结构如图4所示。它的原理是通过控制驱动线圈的电流，来驱动具有负磁致伸缩的棒，使得针阀提起或放下。这种设计，省去了机械部件的连接，可使燃料在注入过程中实现快速、高准确度的流动无级控制，优化了燃烧过程，而且，也为更快、更精确的计算机控制燃料系统甚至排气系统提供了可能［8］。

图4燃料喷射阀

（2）直动式伺服阀［9］

伺服阀是一种将电信号变为液压信号以实现流量或压力控制的转换装置，常用的伺服阀的驱动部件主要是电磁铁，图5则是Urai采用超磁致伸缩驱动器而设计的一种新型伺服阀，它的原理是通过控制线圈中电流的大小使超磁致伸缩棒伸长或缩短，从而使阀的开度变化，来对流量或压力进行调节。伺服阀阀芯的位移可通过位移传感器反馈到控制系统，使整个系统形成闭环。

1.预偏压压力油口2.阀芯3.磁致伸缩棒4.线圈
5.调节螺钉6.骨架7.阀体8.位移传感器
图5直动式伺服阀

超磁致伸缩直动式伺服阀的结构紧凑、精度高，响应速度比电液伺服阀快，其最大输出流量达2L/min，频宽可达650Hz（-3db）。

（3）流体驱动活塞［4］

图6是超磁致伸缩流体驱动活塞的原理图，当线圈通电后，超磁致伸缩棒伸长，从而推动大活塞运动，由流体力学中的帕斯卡定律，超磁致伸缩棒的伸长量被放大，放大倍数等于大活塞面积与小活塞面积的比值。反之，如果超磁致伸缩棒推动小活塞，那么输出的力将被放大。

图6流体驱动活塞

（4）薄膜型微型泵

目前，对微管道、微阀、微泵等元件的微流量控制系统的研究已成为微型机电系统研究的热点之一。而薄膜型超磁致伸缩微执行器的出现，又为微流体元件的驱动提供了一个新的方法。

图7是薄膜型微型泵的原理图，微型泵的驱动部分采用了圆盘状的薄膜型超磁致伸缩微执行器。当垂直于圆盘表面施加一个变化的磁场时，圆盘状超磁致伸缩薄膜将上、下振动，当向上振动时，泵的入口打开，液体流入泵内；当向下振动时，泵的出口打开，液体将以一定的压力流出泵。泵的流量可通过调整外磁场的频率改变，当外磁场变化频率为2kHz时，泵的输出达10μL/min，当然，外部磁场的频率不能太高，否则由于泄漏问题将会导致输出压力的下降。

图7薄膜型磁致伸缩微型泵

这种微型泵的另一优点是，可以采用非接触式驱动，这使泵的结构和能源供给变得简单。此外，超磁致伸缩执行器还被应用于比例滑阀，微小卫星推进器中的微阀门和墨水快速喷射打印头的液滴注入器等流体控制器件中。

3结束语

超磁致伸缩执行器应用于流体控制元件，可极大的提高它们的性能，这是因为超磁致伸缩执行器具有响应速度快，输出力大，耐污染并可在低磁场强度下动作等特性。目前，超磁致伸缩材料应用于流体器件的开发研究工作尚处于起步阶段，但它们的应用已给流体控制技术注入新的活力。作为一个稀土资源大国，我们应抓住这个机遇，迎接高新技术的挑战。

贾振元（大连理工大学机械系，116023）
杨兴（大连理工大学机械系，116023）
武丹（大连理工大学机械系，116023）
郭东明（大连理工大学机械系，116023）

参考文献
［1］Clark A E,Belsm H S .Am Inst Phys Conf PROC,1973，749
［2］祝向荣，郭懋端.大磁致伸缩执行器.金属功能材料，1998，5（2）：53～55
［3］金绥更，刘湘林，蒋志红.稀土超磁致伸缩器件的设计与应用.稀土，1992，13（1）：39～44
［4］杜挺，张洪平，邝马华.稀土一铁系超磁致伸缩材料的应用研究.金属功能材料，1997（4）：173～176
［5］H.Eda,E.Ohmura, M.Sahashi, Tkobayashi, Ultraprecis. Machine tool Equipped with a Giant Magnetostriction Actuator-Development of New Materials Tb0.27Dy0.73(FeMn)1.93and Their Application. Annals of the CIRP,1992(41):421～424
［6］F.Claeyssen,N.Lhermet,R.Le Letty,P.Bouchilloux,Actuaturs,transducers and motors based on giant magnetostrictive materials,J Alloys Comp,1997(258):61～73
［7］E.Quandt,K.seemann.Fabrication and simulation of magnetostrictive thin-film actuators .Sensors and Actuators,1995,A50:105～109
［8］余军.一种能把电能迅速转变成机械能的新材料.天津航海，1997（1）：28～30
［9］夏春林，丁凡，陈大军，戴旭涵.超磁致伸缩材料在流体控制元件中的应用研究展望.液压气动与密封，1997（2）：2～4
［10］ E.Quandt.Giant magnetostrictive thin film materials and applications.Journal of Alloys and Compounds,1997(258):126～132
［11］E.Quandt,K.Seemann,Magnetostrictive thin film microflow device,H.Reichl, A.Heuberger(Eds),Micro Systems Technologies 96,VDE-Verlag,Berlin,1996;451(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/8/2007)


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