超磁致伸缩电_机械转换器及其在流体伺服元件中的应用.pdf

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1、浙江大学博士学位论文超磁致伸缩电机械转换器及其在流体伺服元件中的应用基础研究姓名：夏春林申请学位级别：博士专业：流体传动控制指导教师：路甬祥;丁凡19980901渐江大学博士学位论文摘要e 超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高等是该类材料的显著特点，因其优异的性能、良好的应用前景，而得到世界各嗣学者的关注0 本文根据超磁致伸缩材料的特点及其在工业元件、系统中的应用要求，以国产超磁致伸缩材料为基础，以基于该类材料的电机械转换器为研究对象，在材料参数测试、转换器机械和电结构分析及综合、特性实验等方面进行了较为深入而系统的研究；并实验研究了直线型器驱动的两类气动

2、伺服阀的特性，为其实用化打下参数测试方面，提i=B 了改进的谐振一反谐振方法，伸缩材料纵向磁一机耦台系数的测量问题；一并测量得勐了国产超磁致伸缩材辩的一系列机械和物理特性参数，为国产材料的应用研究提供了切实的依据。在直线型超磁致伸缩电一机械转换器综合方面，提出了实甩的微小位移放大机构、热变形补偿机构及磁场均匀化设计方法，归纳出了较完整的设计准则；提出了该类电-机械转换器完备的静态模型和包含涡流等非线性匿素影响的动态模型；研究了小电流激励下该类转换器的滞回特性，提出了滞匝特性描述方法；有关理论分析、仿真计算与实验结果能很好她吻台i-辩研制的直线型电机械转换器部分性能参数达到了国外同类器件鹩水犟；

3、在蠕动型机械综合方面，较详细地讨论了采用国产超磁致伸维材料的蟠动机械分析和综合方法，导出了伸缩机构集中参数模型并进行了相应的仿真计算i 理论分析及实验结果为该类机械的进一步研究积累了一定盼经验。u 雀直线型超磁致伸缩电_ 机械转换器应用方面，实验研究了采用该类转换器驱动的两类气动阀：喷嘴挡板型气动伺服压力阀和直动型流量阀，实验绪果襄嘿。该类转换器在新型气动控制阕方面有着良好的应用前景；有关癸验结果黜新型液压控制阀的开发具有参考价值。有关各章内容分述如下。-第一章介绍超磁致伸缩材料磁致伸缩机理及其主要性能特点，回顾了该类材料的研究简史、孱内外应用研究概况，评述了应用中存在的问题，陈述了选题意义屣

4、课题研究内容的五个方面。新扛走学博士学值论吏第二章介绍超磁致伸缩材料磁弹耦合过程，A E 效应，磁致伸缩特性，相关参数测试方法及测量结果。结合实际的实验条件及材料特性，提出了改进的谐振一反谐振法，采用改进的方法测量了国产材料磁机耦合系数；采用应变法测量了超磁致伸缩材料在较弱磁场激励下的磁场一磁致伸缩系数关系及场耦合系数；一并测量得到了材料线胀系数、杨氏模量、相对磁导率、材料损耗角等一系列物理参数测量结果为采用国产超磁致伸缩材j；毒开发中、小功率器件提供了直接依据。第三章基于超磁致伸缩材料的电机械转换器设计涉及到的三个主要方面展开讨论：1)机械结构分析、综合，2)电结构分析、综合，3)驱动及控制

5、，详细分析了机械、电结构参数对电一机械转换器整体特性的影响，给出了相关理论计算及实验结果，导出了相应的设计准则。在机械结构方面，详细分析了微位移放大机构设计方法及热变形补偿机理，给出了实验验证；在电结构方面，详细讨论了驱动线圈设计的相关问题，提出了磁场均匀化方法，理论计算并实验验证了不同磁路形式对电机械转换器性能的影响；介绍了转换器的一般驱动方法，讨论了相关能量损耗计算方法，提出了能量转换效率的近似表达。该章讨论的对象是直线型线性超磁致伸缩电机械转换器。第四章集中讨论直线型电机械转换器的静、动态模型分析方法，导出了转换器的静态位移、力输出模型；建立了考虑涡流影响的动态集中参数机电模型，给出了仿

6、真结果；利用动态应变法实验曲线，采用经典模型辨识方法，得到了电机械转换器钓动态模型；介绍了阳赧蜘模型理论，提出以该模型描述转换器非线性滞回特性，给出了详尽的算法，仿真研究了小电流激励下电一机械转换器滞回特性，仿真结果与实验结果能很好地吻合。另外，归纳介绍了超磁致伸缩棒的三种模型：有限元模型、离散化模型及谐振态模型等采用超磁致伸缩材料研制的蠕动型机械是一类步进动作的特殊装置。第五章讨论该类机械的工作原理、机械和电结构设计方法；利用磁路法，导出了伸缩机构集总参数机电模型，仿真结果与实验结果吻合；一并介绍了蠕动机械的一般驱动方法在本章的最后，给出了伸缩机构及整机开环步进特性实验结果。实验结果表明，研

7、制的蠕动机械低频段开环步距均匀，双向运行浙江大学博士学位论文平稳。直线型超磁致伸缩电一机械转换器(A)具有快速响应特性，阶跃响应上升时间小于1 m s，幅频宽大于1 0 0 0 H z。利用该特性，开展了G M A 在流体伺服器件方面的应用研究。第六章主要介绍采用研制的G M A 驱动的两类气动伺服阀：喷嘴一挡板型压力伺服阀和直动型微小流量阀的结构、工作原理，以及静、动态特性。其中，气动喷嘴一挡板压力阀实验表明，压力阶跃响应上升时间小于2 0 m s，最大可控压力为0 0 4 M P a；闭环控制特性良好；研制的流量阕流量调节范围为0-1 0 帅i n；开环流量特性曲线线性较好。此外，讨论了采

8、用岛从开发高频开关阀的可能性，并就G M A 在流体控制领域可能的应用前景作了前瞻。第七章概括了全文的主要研究结果，并展望了今后需进一步开展的工作关键词：超磁致伸缩材料，电机械转换器，机电模型，蠕动机械，气动伺服阀特性实验浙江太擎博士学位论支T h el i n e a rg i a n tm a g n e t o s t 慨a c t u a t o rI G M A)a n di t sa p p l i c a l i o n si np n e u r n a i cs e r v ov a l v e sw h i c hf o f l o wt h ec h a r a c t

9、e r i s t i c so f t h eg i a n tm a g n e t e s b i c I i v em a f e f i a lh o m em a d ea n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n d u s”i a ld e v i c e s s y s t e m sh a v e b e e ns t u d i e ds y s t e r n a 6 0 a l l yI nt h i sd i s s e d a?i o n T h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s

10、 f i c sm e a s u r e m e n t s t h ed e s i g nm e t h o d so ft h ea c t u a t o r a n dt w ok i n d so f p n e u m a cs e r v ev a l v e sd r i v e nb yt h eI i n e a ra c t u a t o rp r o s e da r ed i s c u s s e d ak i n do fi n c h w o r mb a s e do nt h eg i a n tm a g n e t o s k i c S v em

11、 酿e a I i n d u d e da l s o T h e m a i nc o n 培r I l o f e a c hc h a p t e r i s 如嘲o w i n g I nc h a p t e r1,t h em 两n 咖枷c!I i 怕m e c h a n i s mo f t h eg i a n tm a g e n t o s b i c l i v em a t e r i a l s 勰dt h em a i nf e a t u r e so f t h em a t e r i a l sa r ei n 口o d u c e db d e f i

12、*a n dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n di n c l u d i n gt h em a t e r i a la p p H c a l J o n si na b r o a da n dh o m ei sg i v e nF u r t h e r m o r e，t h ep r o b l e m se x i s I i I gi nt h eu p d a t ea p p l i c a d o n sa r ep o i n t e do u t A tt h ee n do f t h i sc h a p t e r,

13、t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n df i v ea s p e c t so f t h ep r o j e c ta r ea d d r e s s e d I nc h a p t e r2 t h em a g e n t o e l a s l J cc o u p l i n g。Ee f f e c t,m a g n e t o s b a i nc h a a c t e r i s f i c so ft h eg i a n tm a g n e t o s b i c 目v em a t e r i a l

14、(G M M)a r ei n f r o d u c e d，t h ec h a r a c t e f is f i c sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h ee)鲥m e 唰r e s u l t so ft h em a t e r i a la r eg i v e n C o n s i d e r i n gt h et e s f i n gc o n d m o n sa n dt h em a t e r i a lf e a t u r e s。a ni m p r o v e dr e s o n a n t-a n

15、 t J r e s o n a n fm e t h o da p p l i e di nt h em e e s u p 帅e n to fm a g n e t o-e l a s t i cc o u p l i n gf a c t o ri sp r e s e n t e d k d o p f i n gs h a i nm e t h o d。t h ef i e l d-m a g n a t o s e a i nc B v e sa n gf i e l dc o u p l i n gf a c t o ro fG M Me x c f f e db yw e a

16、kf i e l da r E=o b t a i n e dn 帕m e a s 嗍n tr e s u 皓o fG M Ma r eu s a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fd e v i D e su I i l i z i n gG M Mh o m em a d e T h eg i a n tm a g n e t o s t h c 6 v ea c t u a c f sd e s i g nc o l,e r e st h r e ea s p e c t s：1)m e c h a n i c a ls 劬c t u r ea

17、 n a l y s i sa n dd e s i g n，2)e l e s t d c a ls t h J c t t f ed e s i g n，3)d r i v i n gm e t h o da n dc o b 0 1 C h a p t e r3d i s c u s s e st h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ed e e p l ya n ds y s t e r n a S c a l l y S p e c i f l c a l l y,|nt h em e c h a n i c a ls c u c t

18、 u r e，an e wt y p eo fm i f l id i 印l a c e m e n ta n q p l i f i e ra n dar i l _ wt y p eo fs b u c t u mf o rh e a tc o m p e n s a t I o n 册p r e s e n t e da n dv a l i d a t e db yr e J e v a n fe x p e r i m e n t s I ne l e c 廿1 c a ld e s i g n am e t h o df o ri r n p r o v J n gf l u xh

19、 o m e g e n e i l ya n da no p e nf i e l dc i r c u i tc o n c e p tp r e s e n t e d浙江太荦博士学位话丈a r et e 蛐f i e db yt h e o r e S c a ls i m u l a d o n sa n dv a l i d a t e da l s o I na d d i t i o n，t h ec h a p t e rg i v e st h ea n a l y s i so f e n e r g yc o n v e r s i o na n dad e s c f

20、 i p f l o no f e n e r g y c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y T h eo b j e c tc o n c e r n e di nc h a p t e r3i sak i n do fl i n e a rg i a n tm a g n e l 0 鲥c l i v,em i n ia c t u a 协r T h ec h a r a c t e d s l j c so ft h ea c t u a t o rp r e s e n t e da r es a t i s f a c t o r y,t h

21、eb a n d w i d t ho v e r1 0 0 0 H z，a n di t sd i s p l a c e m e n t o u t p u t e x c e e d s3 5 m i c r o m e t e r e x c i t e d1 0 AI nc h a p t e r4，s t a l i ca n dd y n a m i cm o d e l l i n go f t h eI i n e a ra c t u a t o ra r ec o n c e r n e d T h es 例cd i s p l a c e m e n t a n d f

22、 o I c e m o d e l sa r ed e r F v e d T w ok i n d so f d y n a m i c m o d e l s(o n e d e r i v e db yc l a s s i c a ll d e n t f f i c a 自o nm e t h o d，t h eo t h e ro n el u m pp a r a m e t e re l e c l r i c a l-m e c h a n c a Jd v n a m i cm o d e lc o n s i d e r i n ge d d yc u E e n f

23、枷u e n c s la r eo b t a i n e d I no r d e lt od e s c r i b et h en o n l i n e a ri n p u t-o 曲u th y s t e r e s i so ft h ea c t u a l o r,P r a l s a s hm o d dI si n o d u c e dS i m u l a t i o nr e s u I t ss h o wt h a tt h eP r e l s a c hm o d e lw o r k sw e l l I na d d i U o n d y n a

24、 m i cm o d e l sc o n c e r n e dG M Mr o di si n t r o d u c e db r i 酮I n c h w o r mb a s e do ng i a n t m a g n e t o s 扪c t i v em a 培d a li sak i n do f s t e p t y p ed e v i c eC h a p f e r5d e a l sw i t ht h em e c h a n i s mo fap r o t o t y p ep r e s e n t e d，i t sd e s i g nm e t

25、h o d，m o d e l l i n g，a n dr e l e v a n te x p e d m e n t s T h ee x p e f i m e n 例r e s u 地s h o wt h a tt h ed e v i c eh a sg o o dp r o p e r m e si nl o wf r e q u e n e er a n g e I nc h a p t e r6 t w ok i n d so fp n e u m a t i cv a l v e sd r i v e nb yt h el i n e a rg i a I l tm a g

26、 n e t o s b i c g v ez c=f u a t o rp r e s e n t e da r ei n b e d u c e d：1)t l w p p e r-t y p ep n e u m a t i cp r e s s u r ev a l v e w h o s ec o n b o l l a b l ep r e s s u r eu pt oO 0 4 M P a。d e i n g 自惜l e s st h a n2 0 m s 2)d i r e c td r i v e f l o wc c n k o lv a l v e W H O S Ec

27、 o 脯o l l a b l ef l o wr a n g ei sO“1 0 I m hT h es 自-u c t u r e o r i n c i D a J sa n ds f a c l c d y n a m i cc h a r a s t P J i 酬c so f 廿1 ev a l v e sa r ei n c l u d e d A I Ia c h i e v e m e n t so f l h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r 廿1 e rr e s e a r c

28、 hw e 水w h i c hw i I lb ed o n e i s p u t f o r w a r d i nc h a p t e r 7 K e y w o r d s：g i a n t m a g n e t h s l r i c l i v e m a t e d a l，a c t u a t o r,m o d e l l i n g，i n c h w o r m，p n e u m a t i cs e r v ev a l v e sV浙江走学博士学位论文致谢深深地感谢导师路甬祥教授。无论是作为浙大校长，还是中科院院长，路老师都于百忙中抽出时间，给学生以亲切的

29、教诲及学业上的悉心指导。从论文的选题、研究方案、实验方法、论文大纲的确定，到论文的定稿，都凝聚了导师的大量心血。路老师深厚的理论基础、敏捷的思维和为人的博大胸怀给学生留下了深刻的印象，其严谨的治学态度诚恳、宽厚的风范，将使学生终身受益。衷心感谢导师丁凡教授。从论文工作的开始到完成，得到了丁老师一贯的悉心指导和大力帮助；论文中的许多工作都凝聚有丁老师的智慧和心血。丁老师深厚的理论基础、严谨的治学态度、活跃的思维、正直的为人作风，时时鞭策学生不断地努力、求善。衷心感谢葛宜远教授、陶国良副研究员、张光琼教授、瞿美琴副教授、潘宏老师、陈大军老师、李平老师等给予的各种帮助和指导。衷心感谢杨华勇教授、邱敏

30、秀高工、吴江宁老师给予的帮助和指导。对研究所全体老师、工程师、工人师傅所给予的无私帮助，致以诚挚的谢意l衷心感谢课题组的同学：博士研究生戴旭涵、潘峰，硕士研究生李海学、曾祥序、赵继荣等；在课题工作中，得到了他们的协作和支持。特别要感谢戴旭涵同学在部分实验工作中的大力支持和帮助。感谢研究所全体同学的帮助和关心囊衷心感谢同学李江雄博士、吕晓春博士、徐兵博士、张东亮博士等对我的关心和无私帮助。感谢所有关心我、爱护我的良师益友和亲人。V I夏春林九八年九月于求是园浙江大学博士学位论文第一章绪论本章主要介绍磁致伸缩现象及其机理，说明超磁致伸缩材料的主要特点，综述超磁致伸缩材：帕F 究简史，国内外应用概况

31、及存在的问题，陈述选题意义技课题研究内容的五个方面。1-1 超磁致伸缩材料及其应用概况1 1 1 超磁致伸缩材料及其特点本小节简要回顾超磁致伸缩材料发展历史，集中介绍材料的相关特性，并与其他相关功能材料进行性能对比。超磁致伸缩材料(G i a n tM a g n e t o s t r i c i 自v eM a t e r i a l，简写为G M M)是指具有极大磁致伸缩应变(一1)的一类金属间化合物，其典型代表为乃。D。凡。和乃。，D Y o。凡：。超磁致伸缩现象与传统的磁致伸缩现象有一定的联系，有关磁致伸缩现象及其理论解释有助于对超磁致伸缩现象的定性了解。一磁致伸缩铁磁体(如金属N，

32、F e，及铁氧体等)在外加磁场和或外力作用下均表现出不同程度的磁致伸缩效应。磁致伸缩的来源，是由于物质中原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生的，是满足能量最小条件的必然结果。若铁磁晶体的变形大小和性质能够导致其总能量等于极小值，则这种变形就会产生。磁致伸缩效应是由于自旋与轨道耦合能和物质的弹性能趋近平衡过程的外在表现【1】。依据形状变化的不同，磁致伸缩效应可以分为纵向磁致伸缩效应，横向效应和体积效应。体积磁致伸缩是指铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化，该效应只有在铁磁体被技术磁化至g 饱和以后的顺磁过程中才能明显地表现出来。横向磁致伸缩效应是指垂直于外加激励磁场方向的相对变化。这两类效应的工

33、程应用不多见。铁磁体在外加激励磁场方向上的尺寸相对变化称为纵向磁致伸缩效应，它可以分为两种：正效应和反效应。正效应又称为焦耳效应，如一根铁磁材料棒受外磁场作用下，沿磁力线方向产生伸缩相对变形的淅4丈学博士擘位论文现象。正效应是焦耳在1 8 4 2 年首先发现的，故得名。般铁磁体的纵向磁致伸缩正效应引起的相对变形的大小是相当小的，约为1 0“量级。实验表明，正效应应具有下列性质：1)不同材料的棒材，在磁场强度或磁感应强度作用下，所产生的相对变形的大小和方向均不同。例如，镍铁合金(P e r m a l l o y)受到磁场作用产生伸张形变，而镍受到磁场作用产生收缩形变。2)不论何耪磁致伸缩材料，

34、它们均有磁致伸缩饱和现象；当外加磁场强度由小逐渐增加时，其形变并不是无限止地增加；当外加激励场增加到一定值时，形变不再随之而变，出现所谓饱和现象。例如，退火镍的饱和磁致伸缩应变为3 6 1 0“。3)各类材料的磁致倬缩形变受温度的影喻很大。湿度羿高会使磁致伸缩性能降低，当温度高于居里点时，磁致伸缩效应完全消失。铁磁材料居里点的高低对于工程应用来说是制约因素之一。4)各类材料的磁致伸缩应变近似正比于磁感应强度的平方。5)材料的磁致伸缩效应一般只与外加激励场的大小有关，而与激励场的方向无关。当铁磁材料在交变激励场的作用下，其形变输出变化频率是激励场变化频率的两倍，即存在倍频现象，其图示表示见图1

35、1，其中，丑=出1，为材料磁致伸缩系数，为材料长度，为形变，日为外加激励场强。r _，U 1 一I一)(图1 1 倍频现象示意图纵向磁致伸缩反效应又称魏拉里效应。当铁磁材料棒在一定强度外磁场作用下，沿长度方向受外力作用而产生相对形变，从而使棒内磁场强度发生变化的现象，称为反效应。这种效应首先是魏拉里(v i U a r i)于1 8 6 5 年发现的。因为磁致伸缩材料受外力作用能引起材料内部磁场的变化，有人称它为压磁效应(压磁效应也泛指磁致伸缩效应)f 2 l。浙江失荦博士学位论丈除以J：-种磁致伸缩效应外，还有魏德曼(W i e d m a n n)发现的扭转磁致伸缩效应。扭转效应在大功率磁

36、致伸缩换能器及传感器等方面有一定应用【3，4 1。二磁致伸缩效应的机理在铁磁物质中，由于量子交换力的作用，在其内部形成许多小区域，人们称这种区域为磁畴。在每个磁畴内均存在按某一个特定方位取向的磁矩，磁矩的取向一般为“最易磁化方向”中的某一个方向。如果铁磁材料未经极化，磁畴内磁矩在所有最易磁化方向上的取向概率是相等的，其统计平均磁矩值为零，故在宏观上材料不呈现磁性。在外磁场作用下，磁畴的磁化方向改变时，它同时伴随着晶格的变形，各微小磁畴变形的累加表现为宏观磁致伸缩形变。上述即为纵向磁致伸缩正效应的磁畴理论解释。磁致伸缩反效应的物理解释是，对于在一定强度外磁场作用下的铁磁材料，受外力作用产生机械变

37、形的同时，伴随有晶格的变化，从而引起磁畴内自发磁化方向的改变，由此而产生一个附加磁场，亦即出现压磁效应【2】。以上介绍的有关磁致伸缩现象、特点及其物理解释对超磁致伸缩现象来说，有其通用性，如倍频现象的存在及磁畴理论定性解释超磁致伸缩现象等。三。超磁致伸缩材料发展简史超磁致伸缩材料(吲)是指具有极大磁致伸缩效应的金属与稀土金属间化合物，典型的稀土超磁致伸缩材料包括T b F e，、S m F e：和乃。彩。忍：、T b。D y n。F e。等。这类材料的磁致伸缩应变由传统材料(C o 等)的1 0 1 0 0 1 0 _ 6 提高到1 0 0 0 2 5 0 0 1 0“。目前，该类材料的制备已

38、达到实用化的水平。下面对超磁致伸缩材料的研究状况作一介绍。早在本世纪6 0 年代，人们就发现稀土金属铽(T b)和镝(D y)具有较过去磁致伸缩材料大一百到一万倍的磁致伸缩应变，这个记录一直保持到现在。因为这些巨大的磁致伸缩应变只在低温时才能获得，从而在以后的年代里就开始了系统的探索，期望找到居里点在室温以上的稀土合金材料。在稀土和铁的合金中，人们发现R e 凡，(R e：稀土元素T b、D y 等)化合物不仅居里点可达到4 0 0 左右，且在室温下仍然具有巨大的饱和磁致伸缩。因R e 凡，化合物具有强的磁晶各向异性，从而影响该类材料的实际使用。自1 9 7 1 年开始，在R e 凡，化合物的

39、基础上，美国海军表面武器研究中心(N S W C)和爱阿华州立大学开始探索具有实用意义的稀土超磁致伸缩材料。他们对R e-C o、R e-N i 和R e-浙江大学博士学住论文F e 系化合物和合金进行了系统研究，发现R e 凡，系立方L a v a s 相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居里温度也较高，是最有希望的体系。为降低R e 凡，化舍物的磁晶各向异性，A E，C l a r k 等人用磁致伸缩符号相同，各向异性常数符号相反的T b F e 2 和D y F e 2 组成准二元R e F e：系，在1 9 7 3 年发现7 印0 7 凡2 的各向异性最低，且其磁致伸缩应变降低较小(易轴方

40、向磁致伸缩仍维持在1 6 0 01 0 6 左右)，这就是美国超磁致伸缩材料“T e r f e n o l D”的基础。7 玩，D Y o，凡，的发现，为超磁致伸缩材料的工业应用打下了坚实的基础。自7 0 年代末以来，超磁致伸缩材料研究的重点在材料的制备工艺方面，目的是改善材料的组织状态，提高材料的性能。这方面的进展有：用延性稀土相减低脆性；采用定向凝固技术产生取向晶体，提高低磁场下的应变量，增大材料的相对导磁率、磁致伸缩率教磁弹耦合系数；改变磁踌结构，产生具有“j u m p”(跃变)效应的材料(轴向压应力对磁畴结构的改变亦有很大作用)等。9 0 年前后，些国家已有商品化材料供应，如美国E

41、 d g eT e c h n o l o g i e s 公司的“T e r f e o 一D”，瑞典F e r e d y nA B 公司的“M a g m e k 8 6”，日本也有同类材料上市【5“l o l。我国在“八五”期间开始了稀土超磁致伸缩材料方面的研究工作。目前，已有多家单位生产超磁致伸缩材料，如包头稀土研究院、中科院物理所及中科院上海冶金材料研究所等【1 1 14】。四超磁致伸缩材料(G M M)性能特点G h M 是一种新型的功能材料。在外加激励磁场作用下，它能实现电磁能与机械照之阅的转换。磁致伸缩应变极大、响应速度达毫秒级、带载能力强是其显著特点。实际应用的G M M

42、的基本特性可归纳为：1)G M M 随磁场引起的材料长度变化大，其饱和磁致伸缩应变大于1 0 0 0 p p m。2)外磁场作用下能产生大的应力。宏观表现则为输出力大、带载能力强，可驱动大于2 0 M P a 压力负载。3)磁场导致的应变响应快，在几十毫秒以下。4)杨氏模量随激励场变化而有较大变化，即所谓“厶E”效应。5)声速随磁场的变化而变化等。4浙江大学博士学位论文苫1车图1 五不同予压力下国产G M M 激励场强磁致伸缩系数曲线(图中，p 8 表示予压力为8 1 V P a，其余类同)图1-2 示出了包头稀土研究院研制的而。印。凡：等的磁场一磁致伸缩系数关系曲线。表l 列出了G M M、

43、P Z 丁等材料部分特性参数，表2 是几种磁致伸缩材料参数对比。G M M 特性将在第二章中详细介绍。表1G M M 及有关功能材料部分特性参数0 5 特性_ r e 啦n o l D纯N iH i p e t c oP Z T lP z T 2密度k g r n 49 2 5 1 0 38 9,1 0 38 1,1 0 35 6,1 0 37 5 1 0 3弹性横量Y”2 6 5,1 0 t o2 0 6,1 0 1 02 0 6 I 炉l I 3 l O”i i*1 0”C Y Q)Y B，N m a5 5 0 i 0 I o9,1 0 1 06 1 0 1 0(Y 5)声速，G H,m

44、s l1 6 9 04 9 0 04 7 2 04 1 5 03 1 0 0声速，伊2 4 5 0抗拉强度，P a2 8 1 0 65 5,1 0 67 6,1 0 6压缩强度，P a7 0 0,1 0 s线胀系数 H 葡)1 2 1 0-S1 2 9,1 0-61 2 6,1 0-2-9 I 铲热导率，W m。一f一5 92 52电阻率，Q c r n6 0 1 0-66 7,1 0-o2 3,1 0-8i*1 0 8I*1 0 8居里温度3 8 73 5 41 1 1 51 2 53 0 0磁致伸缩应变1 5 0 p 2 0 0 04 04 08 0(电致伸缩)4 0 0(p p m)(电

45、致伸缩)磁机耦合系数屯，lo 7 20 1 啪2 50 1 7O 4 5O 6 8渐j 大学博士学位论文l 磁致伸缩率1 7 1 0-T1 6 0 1 0 1 23 0 0 1 0 一1 2l以3 mA-1(电致伸缩)(m V l)I 磁导率：9 36 07 51 3 0 01 3 0 0(露s o)卢?4 5-一1 0 4 06 9 0(s 要8 0)l 能量密度，J m P1 4 0 0 一2 5 0 0 03 09 6 09 6 0I 偏置场O e如0 5 0 01 0 _ 2 01 5 0 0 0塞2 且整礁基蚀缱挝叠曲盥翅坷材料伸缩系数应力居里温度耦合系数k响应速度p p mT e

46、r f e n o l D1 5 0 0铁氧体3 0(k o J c m 2)3 0 06”3 8 0(+-4 0)5 2 0080 3n p m Sn S 1 啊S匹皇挝抖g Q Q!Q1 8 1(!二!Q 21：!堂1 1，2 超磁致伸缩材料应用研究概况超磁致伸缩材料自9 0 年前后商品化以来，其应用研究日趋活跃。鉴于以乃啦聆D，一D 为代表的一类超磁致伸缩材料的优异特性，采用该类材料开发的新型机电器件及其应用受到了广泛的关注。目前，已有美国、瑞典、德国、日本、法国、英国、俄罗斯等国正在或准备开发这种材科的各种可能应用。我国在应用研究方面也已起步。下面就G M M 在新型器件开发及应用、器

47、件设计相关理论研究及G M M 在流体控制领域中的应用研究等三个方面综述近年来的相关文献报道。一G M M 新型器件开发及其应用换能器自1 9 7 0 年开始，美国海军及爱阿华州立大学开始了稀土超磁致伸缩材料及其应用研究。该类材料首先被用于水声换能器的开发中，图1-3 是早期按能器的结构示意图。法国也开发相应的超磁伸缩声纳换能器。我国北京钢铁研究总院和中科院声学所进行了水声换能器的研制工作，其共振频率为2 4 k H z，发射电流灵敏度为1 7 3 d B，频宽8 0 0 H z，机械品质因数Q=3，电声效率为4 5 1 6，1 7 1。浙江大学博士学位论文蜀伯矩形挟能器E 匣日睡图1 4 G

48、 M A 结构【1 8 l图1-5蠕动马达原理G M M 转换藉凌其在系统中的应用G M M 电一机械转换(G i a n tM a Q n e t o 删v eA c f u a 时，简写为G M A)是超磁致伸缩材料在军工、氏甩两方面应甜讲究时基袖章黼，图1-4 亳G M A 的一种结构图c 1：死删一D 棒，523，：4浙江大学博士学位论文2：线圈，3：骨架，4 1 5：前后端板，6,7，8：弹簧，螺母，螺钉，9：磁通通路)装置中所用材料为T e r f e n o l D。M A n j a n a p p a 等人讨论了G M A 设计方面的问题，并给出了有关实验结果f 1 8，1

49、9 2 0 。H i r o s h iE d a 等采用叠层型超磁致伸缩材料研制G M A，介绍了该种转换器的工作原理和实验结果【2 1】。文献 2 2 2 6 分别介绍了G M M 在超磁致伸缩转换器开发、电控弹簧装置、力输出装置、G M A 的应变传感器控制及薄膜型材料的应用情形。文献 2 7 3 4 介绍了G M M 在新型电机(如振动型电机、直线电机等)研制方面的应用。G M A 在系统应用方面，H E d a 等人将G M A 佣予褪精密加工车床中，加工精度达到纳米级；他们亦将G M A 用于超精密位置控制装置的开发，获得了良好的控制效果f 3 5 3 6】。藤田隆史、A G J

50、e n n e r 等介绍了G A 在振动控制系统中的应用情况 3 7 4 0 。文献】说明了G M M 在注射成型夹紧装置中的使用情况。蠕动装景(I n c h w o r m)也是一种直线运动的电机械转换器，在远距控制中的应用引入注目。J E M i e s n e r 等介绍了一种采用超磁致伸缩材料与压电晶体组合而成的谐振型蠕动马达，其失速负载为2 6I b，无载速度为1 h s e c 4 2 1，图1 5是该马达的原理图。O w e nD B r i n i h a l 介绍了夹紧、伸缩部分均采用7 e r f e n o l D 的蠕动装置，其最大步距为0 0 7 6 m m，常用