超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状

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超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状——郭东明　杨　兴　贾振元等

为换能器材料,需要几千伏的驱动高压,尺寸大、频带窄,且不能在低频下使用。而深海长距离目标探测中需要低频技术,在低频领域,超磁致伸缩材料的各项指标(大的磁致伸缩量,低的杨式弹性模量,比一般金属软)均比传统的有源材料做成的换能器好,因此,它最早由美国海军部门应用于低频声纳系统中。

国际上最先使用的Terfenol-D换能器是一种内方外圆形水下器件,叫方环换能器(见图1)。驱动部分由4根<6.35mm×50mm的Terfenol-D棒组成,其共振频率可达2kHz。这种类型的设计用于美国Gould公司和Rayfhlon公司的最早的商品水听器中[5]。

日本学者Wakiwaka采用超磁致伸缩材料设计了声纳换能器。他采用8根<20mm×120mm的Terfenol-D棒作为振动源,并由上、下各一块永久磁铁提供一定的偏置磁场,以使超磁致伸缩棒工作在线性区;调整预

图1　超磁致伸缩材料方环换能器

图2　超磁致伸缩执行器截面图

将超磁致伸缩材料固定在镗刀杆的合适位置,当周围的磁场改变时,超磁致伸缩材料能相应的伸长或缩短,从而使刀杆产生相应的弯曲变形。而磁场的变化可通过改变驱动线圈的电流来实现[11]。1.3　在流体机械中的应用

电-机械转换器是流体控制阀类部件的关键部分,由于超磁致伸缩材料具有响应速度快、输出力大、并可在低磁场强度下工作等特性,采用超磁致伸缩材料的转换器将极大的提高控制阀的性能。

瑞典一家公司将Terfenol-D用于燃料喷射阀,并申请了专利。图3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。这个简单的设计,可使燃料在喷射过程中实现快速、高准确度的燃料流动无级控制,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。

紧弹簧的变形量,可以对超磁致伸缩材料施加适

当的预压力。理论上,此换能器机电耦合系数可达73%,声源信号可达192dB[6]。

冶金部钢铁研究总院采用国产超磁致伸缩合金,研制出大功率低频声纳。七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究[8]。1.2　在超精密加工中的应用

随着尖端科技的飞速发展,超精密加工技术成为当今机械制造最重要的发展方向之一。目前,超精加工刀具主要采用电致伸缩微位移器做为驱动器,而电致伸缩微位移器的位移量和输出功率相对较小,而且在机构设计中必须采取有效措施,以防止冲击力和高电压驱动造成的短路问题,采用超磁致伸缩材料作为微位移器则可很好的解决上述问题。

图2是日本江田.弘和Toshiba公司的Kobayashi设计的,装备在大型光学金刚石车床上的微进给装置,此装置采用了超磁致伸缩材料做为驱动器。系统中采用温度控制器,使冷却线圈的水温度控制在0.01℃以内。采用此执行器的金刚石车床加工玻璃等硬脆材料的尺寸精度和表面粗糙度可控制在几个纳米以内

[9,10][7]

图3　具有超磁致伸缩控制元件的燃料喷射阀

超磁致伸缩材料还被应用于直接作用的比例

阀和伺服阀。Goodfriend等采用超磁致伸缩执行器改造了比例滑阀,在300Hz时阀芯位移达0.3mm;Urai等采用超磁致伸缩执行器设计出了直动式伺服阀,其最大输出流量达2L/min,频带宽650Hz[12]。

此外,这种材料应用于高速阀、高压泵、微型。

浙江大学利用超磁致伸缩材料的特性,开发

研制了活塞异型销孔的制造系统,成功解决了企

业异型销孔的制造的实际问题。此系统的关键是

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