（机械制造及其自动化专业论文）超磁致伸缩执行器的设计方法研究及其测控系统的建立.pdf

浙江大学颐士论文摘要 摘要 本论文研究课题受到国家自然科学基金资助，对超磁致伸缩执行器的建模、设计以及测控 系统的建立进行了深入的研究。论文共分为六章，主要内容如下： 第一章介绍了现代执行器的概念、地位及其发展现状，指出超磁致伸缩执行器作为典型的 现代物性型执行器有着广阔的应用前景，同时介绍了超磁致伸缩材料的特性、超磁致伸缩执行 器的应用发展以及该领域的研究现状；说明了论文的研究内容和项目来源。 第二章在介绍了超磁致伸缩执行器的原理及基本结构的基础上，对超磁致伸缩执行器的 静、动态模型进行了研究，推导了超磁致伸缩执行器的静态位移和力输出模型；建立了动态集 总参数机电耦合模型，并在模型中引入磁通反馈，用以消除将线圈电感作为常数所带来的模型 失真；介绍了执行器基于能量的非线性滞回特性建模理论及算法和采用经典的p r e i s a e h 模型描 述超磁致伸缩执行器的位移滞回输出特性。 第三章对超磁致伸缩执行器的设计进行了系统的研究，给出了超磁致伸缩执行器一般适用 的设计与计算方法，尤其是对减少超磁致伸缩执行器热误差装置的设计进行了详细的研究。最 后。给出了本课题组超磁致伸缩执行器的设计结果，并对超磁致伸缩执行器建立了2 d 轴对称 模型，利用有限元方法分别对执行器的激励磁场和偏置磁场进行了分析，得出了超磁致伸缩棒 上的激励磁场强度和偏置磁场强度的分布情况，确定了偏置线圈输入电流的大小。 第四章给出了本论文超磁致伸缩执行器的驱动及测控系统的组成及原理，分析了超磁致伸 缩执行器驱动电源的要求和特点，设计出了适用的连续调整型恒流源，并对它的性能进行了测 试。同时。还介绍了本论文中所用的设备以及设计开发的测控软件系统，所开发的软件系统在 数据与图形显示模块中采用了混合编程技术，把m a t l a b 语言与c h 语言的各自优点综合起 来，取得良好效果。 第五章用所设计的测控系统对超磁致伸缩执行器的特性进行测试，包括静态特性和动态特 性，并对实验结果进行了分析。其中静态特性实验由静态电流一输出位移特性、预压力一输出 位移特性、静态电流一输出力特性、和滞回特性实验组成；动态特性实验由偏置磁场对动态输 出位移影响实验、交流电驱动下的输出位移实验、交流电驱动下的输出力实验组成。同时还对 所设计的超磁致伸缩执行器相变温控装置的效果进行了实验。 第六章对论文的研究成果做出总结，并对以后有待进一步研究的工作进行展望。 关键字：超磁致伸缩材料，执行器，建模，设计方法，测控系统 本论文得到国家自然科学基金资助( n o 5 0 2 7 5 1 3 4 ) a b s t r a c t t h er e s e a r c ht h e m eo ft h i sd i s s e x t a t i m ai st h eg i a n t 哪s t r i c t i v em i c r 0 - d i s p l a c e m a n t a e t u m m i n c l u d i n gi t sd e s i g n , m o d e l i n ga n dd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hs u p p o r t e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n s i s t e do f s i xc h a p l e t s t h em a i n l yc o n t e n t sc a l lb e s t a l e df l sf o i l o w s ： i nc h a p t e ri ，t h ec o n c e p ta n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fm o d a l la c t o a t o ra l ei n t r o d u c e da n d t h ec o n c l u s i o nt h a tg m m ，a sat y p i c a lm o d e mn a t u r ea c t u a t o r , w i l lb ew i l d l yu s e di nt h ef u t u r ea l e d r a w n t h i sc h a p t e ra l s oi n c l u d e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea n dt h ea p p l i c a t i o n s i t u a t i o no fg m ma n dr e s e a r c hs t a t u si nt h i sf i e l d a n df i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ep r o j e c t b a e k g r o t m da r ei n t r e d u c e d i nc h a p t e r 2 t h ep r i n c i p l e a n ds t m c t u r e o f g a 糟i n t r o d u c e d t h es t a t i c a n d d 哼n a m i c m o d e l s m a n a l y z e da n dt h es t a t i cd i s p l a c e m e n ta n df o r e em o d e l sm d e r i v e d t h el u m pp a r a m e t e r e l e c t r i c a l m e c h a n i c a ld y n a m i cm o d e li sb u i l ti nw h i c hm a g n e t i cf l u xf e e d b a c ki si n t r o d u c e dt o r e m o v et h ed i s t o r t i o nd u et oc o n s i d e r i n gt h el o o pi n d u c t a n c ea sac o n s t a n lt h em o d e l i n gt h e o r ya n d a l g o r i t h mo f n o n - l i n e rc h e r a e t e rw h i c hi sb a s e do ne f l e r g ya r cs h o w e da n dd i s p l a c eo u t p m e h a r a e t e r o f g m m w i t h t y p i c a l p r e s i s a c h m o d e l i s e x p l a i n e d i nc h a p t e r3 i nv i e wo f t h ec h m 衙o f g i a n tm a g n e t o s t f i e t i v em a t e r i a la n dd e s i g n i n gd e m a n d o fg m m , t h eg e n e r a ld e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d so fg m m , e s p e c i a l l yt h ed e s i g no fd e v i c ew h i c h u s e dt od e d u c et h eh e a t ro fg m m a r cs y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d t h e nt h ed e s i g nm s u no f g m mi sp r e s e n t e da n da2 d - a x i ls y m m e t r ym o d e li sb u i l t a f t e ra n a l y z i n gt h em a g n e t i cf i e l do f a c t u a t o ru s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da n dt h es i z eo fi n p u t c u r r e n ti nl o o pm p r e s e n t e d i nc h a p t e r4 。t h ep r i n c i p l ea n dc o m p o n e n to fg m md r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma l e i n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e ra n dr e q u i 嗍e mo fd r i v i n gp o w e sg i 啪虹o fg m mi sa n s 1 y z e da n da a v a i l a b l ec o n t i n u o u sc o n s l a n t r r a n tp o w e ri sd e s i g n e d a tt h es m ct i m e , t h ed e v i c ea n dc o n t r o l l i n g s o f t w a r es y s t e mt h a ta l eu s e di nt h i se x p e r i m e n ta r ed e m o n s t r a k di nd e t a i l i nt h i ss o f t w a r es y s t e m t h ed a t aa n dd r a w i n gd i s p l a ym o d e lw a sp r o g r a m m e db ym a t l a bm a dc + + l a n g u a g e s , w h i c h c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so f m a t l a ba n dc + + l a n g u a g e sm g lp r o d u c e dg r e a te f f e c t i nc h a p t e r5 at e s tt og m mi st a k e n , i n c l u d i n gs t a t i ca n dd y n a m i ct e s t t h et e s tr e s u ri s a n a l y z e di nd e t a i l t h es t a t i cc h a 场c t e 五s t ct e s te x p e r i m e n ti sc o n s i s t e do fs t a f i e - o u t p n td i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t , a d v a n c e dp r e s s - o u t p n td i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t s t a t i c c u r r e n t - o u t p u ts 仃伽g me h a t a o e r i s t i ce x p e r i m e n ta n dh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n tt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n tc o n s i s t e do fd y n a m i co u t p u td i s p l a c e m e n te x p e r i m e n ti n f l u e n c e d b ym a g n e t i cf i e l d ，o u t p u td i s p l a c e m e n te x p e r i m e n ti n t h ec o n d i t i o no fa l t e m a d n gc u r r e n td r i v e r , o u t p u ts n e n g t le x p e r i m e n ti nt h ec o n d i t i o no f a l t e m n t i n gc u r r e n td r i v e r m e a n w h i l e 。ae x p e r i m e n tt o 浙江大学硕士论文a b g n 认c t m e ；a l g l u et h eg m m p h a s ec h a n g et e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c ew a gm a d e i nc h a p t e r6 。a l la c h i e v e m e n t so f t 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 t h e ： rr e s e a r c hw o r k w h i c hw i l lb ed o n ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：g i a n tm a g n e t o s u i c t l v em a t e r i a l ，a c t u a t o r , m o d e l i n g , d e s i g nm e t h o d ，l e s ts y s t e m s u p p o r t e db y n a t i o n a l n a x u r e s c i e n c e f u n d ( 5 ( y 2 7 j ；1 3 4 ) 学号2 0 3 0 8 0 71 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师邬义杰教授指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑堑盘堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：歹衾荭签字同期：多口。石年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎望盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：厂氧赵 导师签名： 祈踅 签字日期：夕d 嘭年弓月一7 日 签字日期：。毛年3 月7 日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位：中国人民解放军6 6 1 6 6 部队 通讯地址：天i 聿市蓟县6 6 1 6 6 部队 电话： 邮编：3 0 1 9 0 0 浙江大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 【本章提要l 本章介绍了现代执行器的概念，地位及其发展现状，指出超磁致伸缩执行器作为典型的现代物 性型执行器有着广阔的应用前景，同时介绍了超磁致伸缩材料的工作特性、超磁致伸缩微执行器的应用发展 以及该领域的研究现状；说明了论文的研究内容和项目来源。 1 1 现代执行器及其发展 1 1 1 现代执行器的概念及其地位 执行器的任务一般是使被控对象产生一定的动作或位移，因此通常又被称为驱动器、作动 器、致动器、激励器、促动器、调节器等等。目前，在国内外还没有关于执行器定义的国际标 准和国家标准。参考传感器定义的国家标准( g b 7 6 6 5 - - 8 7 ) ，国内的孙宝元将执行器定义为”j ： 在控制信号作用下，按照一定规律产生某种运动的器件或装置。这个定义是执行器的狭义定义， 他还给出了一个执行器的广义定义：凡是利用物性( 物理，化学、生物) 法则、定理、定律、 效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应，以便达到对对象物的驱动、 控制、操作和改变其状态的目的的装置与器件均可称为执行器。所谓现代执行器，是在上述定 义基础上，利用先进理论、原理与先进的制造技术利用物性效应做成的执行元器件。 现代执行器将在国防与民用的高新技术领域和产业部门以及3 a ( 办公自动化、家庭自动 化、工厂自动化) 设备及装置上发挥越来越重要的作用。 1 、执行器是自动化智能化系统的主要组成部分。 任何一个完整的自动化智能化系统一般由三个部分组成，即：信息的采集、信息的处理和 信息的实施三个部分。信息的采集多由传感器来完成，信息的处理几乎都由电子系统与计算机 来承担，信息的实施则通过执行器来实现由此可见，执行器在自动化系统中是三大支柱之一， 起着三足鼎立的作用 2 、执行器是精密、超精密加工技术发展的关键技术基础 2 1 。 当前，精密加工和超精密加工是先进制造领域的重要方向之一，它的发展是其它尖端技术 的基础，是推动整个科技向更高层次发展的重要手段，也是现阶段必须突破的关键技术我国 从“九五”规划开始，已将其列为关键技术之一精密、超精密加工技术是包括精密微加工、 精密测量和精密控制的- - f l 综合学科，而精密微驱动技术即微执行器技术是实现的关键与此 同时，近年来微机械技术得到了广泛重视和发展，目前微机械技术研究主要涉及：( 1 ) 微机构 的设计，选材、加工及装配技术的研究( 2 ) 微机械系统技术( 运动的控制、能量的供给及传 输等) 的研究。( 3 ) 微细几何量、机械量的测试技术的研究等诸方面其中微执行器即可构成 浙江大学硕士论文第一章绪论 微机械的动力部分，亦可成为微机械的操作或执行机构所以说，微执行器是微机械技术的核 心内容，是超精密加工技术发展的关键技术基础。国内外的著名大学和实验室都将有关微执行 器的设计、加工制造技术及测控技术等研究作为超精密加工技术和微机械技术研究的一个重要 方向和突破口。 1 1 2 现代执行器的发展现状 现代执行器的机理是利用各种功能材料的物性效应，因此在功能材料和微加工技术的不断 发展下，目前国内的现代物性型执行器的研发非常活跃，并且在国防、航天、机器人、工业控 制、医疗、通信、光学、生物工程、农业和家庭服务等领域有着巨大的应用前景。 功能材料是2 l 世纪人类文明的重要支柱，它可分为两类：一类是对外界( 或内部) 的刺 激强度( 如应力，应变、热、光、电、磁、化学和辐射等) 具有感知的材料，通称感知材料， 用它可做成各种传感器；另一类是对外界环境条件( 或内部状态) 发生变化作出响应或驱动的 材料，这种材料可以做成各种执行器。其中压电、形状记忆合金和超磁致伸缩三种新型功能材 料具有大功率密度、大应变、高机电耦合系数、响应速度快、控制精度高以及具有易于智能化、 集成化和微型化的特点，在国内外得到广泛的重视，是现代执行器的理想驱动元件。目前，现 代执行器的研发主要是基于这三种功能材料的执行器。 i 、压电式执行器 压电材料分为三大类：一是压电晶体，包括压电石英晶体和其他压电单晶，压电晶体一般 仅用于制作要求较高的传感器，不用于制造执行器：二是压电陶瓷，多用于制作执行器，不做 传感器；三是新型压电材料，包括压电半导体和有机高分子压电材料，它即可做传感器也可做 执行器。 压电材料在力的作用下会产生形变使介质表面带电，称为正压电效应；当工作温度低于居 里温度点，由于外加电场使压电材料产生形变的效应为逆压电效应，当工作温度高于居里温度 点，由于外加电场使压电材料产生形变的效应称为电致伸缩效应。在一定的电场e 作用下，压 电材料应变与电场的关系为： s ：d e + m e 2( i i ) 式中，s 为电场方向上的应变，d 为压电系数，研为电致伸缩系数，e 为电场强度。 公式的第一项反映压电材料的逆压电效应，第二项反映其电致伸缩效应当工作温度低于 居里温度点时，压电材料主要表现为逆压电效应；当工作温度高于居里温度点时，则主要表现 出电致伸缩效应。实际应用中，逆压电效应型微位移执行器是利用居里温度高于室温的压电材 料制成，主要表现出逆压电效应；电致伸缩型微位移执行器是利用居里温度点在室温以下的压 电材料制成，主要表现出电致伸缩效应 当压电材料主要表现出逆压电效应时，压电材料的伸长为： 墨，；如e ：亟咝 ( 1 2 ) 2 浙江大学硕士论文第一章绪论 a p = s x t = 岛3 蚝 式中：s ：沿厚度方向的伸缩应变； ( 1 3 ) 破；：沿厚度方向的压电常数( m v ) ； f ：压电材料的厚度( 肌) ； a p ：单片压电材料片的变形量( 加) ； k ：沿厚度方向所加的电压( v ) 。 利用压电材料制成的微位移执行器，具有结构简单、无间隙、无摩擦、无噪声、不需润滑、 不产生内热、结构紧凑等优点。在压电式执行器上施加不同的电压，其长度将有所改变，其变 化范围可从几分之一微米直到毫米的量级，最大伸长量以及执行器的最大输出力取决于元件的 结构。从理论上说，压电元件的分辨率是没有限制的，而且仅取决于所实施电压的稳定性，电 压的每一变化都将直接转换成执行器的线性移动，能量损耗极小1 3 】。压电式执行器是迄今作为 物性型执行器，在各个领域研究最多、最活跃的、应用最为广泛的现代执行器。 2 、形状记忆合金执行器 形状记忆合金( s h a l m e m o r ya l l o y s ，缩写为s m a ) 的特点是具有形状记忆效应( s h a p e m e m o r ye f f e c t ，缩写为s m e ) 。将这种材料在高温定形后，冷却到低温，并施加变形，使它存 在残余变形。如果再加热，就可以使原来存在的残余变形消失，并回复到高温下所固有的形状， 上述过程可以周而复始，仿佛合金记住了高温状态所赋予的形状一样，称为单程形状记忆合金。 如果对材料进行特殊的时效处理，并在随后的加热和冷却循环中，能够重复地记住高温状态和 低温状态的两种形状，则称为双程形状记忆。某些合金在实现双程记忆的同时，继续冷却到更 低温度，可以出现与高温时完全相反的形状，称为全方位形状记忆。目前，应用最多的是n i 一面合金和铜基合金( c u z n a i 和c u a i n i ) 。s m a 能够完全恢复的形变量可达6 8 ，它 的形变温度范围一般在一1 0 0 c 2 0 0 c 之间。利用形状记忆合金的特性可以制作形状记忆合金 物性执行器。 用形状记忆合金制作的执行器从结构上可分为偏置式和差动式两种【4 l ，它们的原理图如图 1 1 所示。图1 1 a 所示为偏置式s i a 执行器结构原理图，驱动系统由s 姒弹簧元件和偏置的 普通拉伸弹簧组成，其工作原理是：当对s m a 元件加热时，s m a 进行热弹性马氏体相变，产生 形状恢复力克服拉伸弹簧的阻力，命令执行器逆时针转动对外做功；冷却氏材料产生热弹性马 氏体逆相变，在拉伸弹簧作用下，执行器顺时针恢复到原来的位置，反复地对s m a 元件进行加 热和冷却，可使执行器有规律地转动并对外做功差动式s 姒执行器则是将偏置式执行器中的 普通拉伸弹簧改为s 姒元件，如图1 1 b 所示。分别加热、冷却两组s m a 元件，使执行器具有 双向做功能力。这种差动式机构与偏置式机构相比，具有输出功率大，能量转换效率高的优点 s m a 执行器是通过控制对s m a 元件的加热和冷却来控制s m a 元件的马氏体相变与逆相变达 到驱动的目的的，从控制角度看，直接通电加热s m a 丝是驱动该执行器的最好方法。 3 浙江大学硕士论文第一章绪论 影黎s m a i ! 厂焉蓉户秽 图1 1 形状记忆合金执行器结构原理图 s m a 执行器非常适合于小负载、高速、高精度的机器人装配作业中使用，在电子显微镜 内样品移动装置、化学设备的反应装置及原子反应堆中的驱动装置上的应用大有前途。世界上 许多工业发达的国家( 尤其是日本) ，都在加紧这方面的研究，并取得了一定的成果。迄今为 止，形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机器器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常 生活各方面都得到了广泛的应用p j 。 3 、超磁致伸缩执行器 超磁致伸缩材料被视为2 1 世纪提高一个国家科技综合竞争力的战略性功能材料它具有 应变大、强力、机电耦合系数高、响应速度快等优异特性1 6 1 ，可广泛应用于声纳、精确定位、 超精密加工、机器人、微马达、减振降噪及微机电系统等领域 超磁致伸缩执行器是超磁致伸缩材料的主要应用形式之一其与压电式执行器和形状记忆 合金执行器相比具有的优点是：有较大的应变，最大值可达2 0 0 0 p p m ( 压电材料为8 0 4 0 0 p p m ) ：实时性好，1 0 c m 长的超磁致伸缩棒在5 0 p s 内可伸长o 1 m m ，可实施实时跟踪控制； 能量密度高，要求电压低；承载能力强。 1 9 9 9 年北京市教委批准“稀土超磁致伸缩驱动器型数字快速开关阀”立项，清华、天大， 浙大等都开始进行超磁致伸缩执行器的研制开发n 此外，大连理工大学、哈尔滨工业大学等 也进行了相关项目的研究工作。 本论文的研究对象即是超磁致伸缩执行器。 1 1 3 现代执行器的发展趋势 由于高新技术的发展，尤其是微电子、微机电系统、微光电系统以及生物工程技术的发展， 对执行器提出了新的要求。 一是微型化是执行器的重要发展趋势。微执行器是为适应微电子技术、微光学技术、微机 械技术以及先进制造技术发展要求而发展起来的。为了实现精密和超精密的定位、位移、传动、 操作与控制等，现代执行器也与传感器一样，向着材料的功能化、结构的固体化与集成化、体 积的微型化等方向发展。特别是微执行器往往成为微光电系统的技术关键。执行器的微型化并 不是一般执行器的简单缩小，而是从原理、结构、制造工艺到调试、操作都有新的突破与创新。 如：微马达多采用静电驱动原理，超声波驱动，磁致伸缩驱动等原理；为了使微结构件具有无 间隙、无摩擦、无滞后、自动弹回等特性，多采用柔性铰链和柔性构件；在设计方法上，除了 用传统的设计方法外，还采用了有限元、边界元法，微型机械结构的拓扑优化方法等”。 4 浙江大学硕士论文第一章绪论 二是执行器与传感器的一体化趋势。执行器与传感器一体化的自感知执行器是现代执行器 发展的另一个重要方向。自感知执行器的物理基础就是利用了功能材料对能量转换可逆的特 性。常见的可逆现象有电磁耦合和机电耦合，如：压电材料，超磁致伸缩材料。目前，对压电 的自感知执行器的研究较多、较深入，对超磁致伸缩自感知执行器的研究在国内尚属起步阶段。 自感知执行器在实际应用中有如下优越性例： ( 1 ) 自感知执行器作为一个器件与分别使用独立的传感器、执行器相比，可使被控制对 象减小体积，降低重量，结构紧凑，节省空间，增加设计的自由度，降低安装难度； ( 2 ) 自感知执行器可实现真正的同位控制，因为传感器的测试点和控制信号的作用点是 一点； ( 3 ) 自感知执行器在系统性能上，测量和控制综合考虑，突出了能量流，物料流和信息 流的集成，优化了系统设计；由于附加质量的减少，系统响应速度加快，系统性能提高显著。 1 2 超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料被视为2 1 世纪提高一个国家科技综合竞争力的战略性功能材料。超磁致 伸缩执行器是超磁致伸缩材料的主要应用形式，是典型的物性型现代执行器，近一些年以来一 直是各国研究的热点，蕴含着巨大的生命力，应用前景非常广阔。 1 2 1 超磁致伸缩材料发展简史 早在1 8 4 2 年，j o u l e 就发现了镍( n i ) 的磁致伸缩现象，但是因其应变量很小( 1 旷一l 矿) ， 与热膨胀系数差不多，因此使用范围只是局限于超声换能器方面。上个世纪6 0 年代初，人们 已发现稀土具有很多独特的磁性1 9 6 3 年，l e g v o l d 等人发现稀土金属铽( t b ) 和镝( d y ) 在低温下的磁致伸缩是传统磁致伸缩材料的1 0 0 - - 1 0 0 0 倍，这使得磁致伸缩材料出现了突破。 但是由于它们的有序化温度很低，因此不能用来做成可在室温下工作的器件。2 0 世纪7 0 年代 初，人们开始研究可在室温下工作的稀土超磁致伸缩材料。为了提高材料的居里温度，在常温 下得到稳定的磁致伸缩，研究者们采用合金化来改变元素组合。美国海军水面武器研究中心和 爱阿华州立大学自1 9 7 1 年开始探索有实用意义的稀土超磁致伸缩材料。1 9 7 2 年，a e c l a r k 发现t b f e 2 、d y f e 2 等二元稀土铁合金在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数0 0 1 ；1 9 7 4 年又 发现三元稀土铁合金在常温下饱和磁致伸缩系数达到1 0 。数量级，磁机耦合系数大于0 6 。1 9 7 6 年公布了c l a r k 等人在美国申请的专利( u s 3 9 4 9 3 5 1 ) ，并将其实用化i l “以后，美国，瑞典和 日本等的一些公司和其他研究机构对三元稀土铁合金进行了大量的研究，采用不同工艺、不同 配比制成了具有各种规格和配比的超磁致伸缩材料。 2 0 世纪8 0 年代中期开始有商品化的稀土超磁致伸缩材料出售，主要有美国e d g e t e c h n o l o g i 铭公司的t e r f e n o l - - d 和瑞典f e r d y n a b 公司的m a g m e k8 6 ，还有日本住友轻金属工 业株式会社、日本东芝公司、英国稀土制品公司( p e p ) 等也能够进行规模生产。 我国作为稀土资源大国，开展这方面的研究较晚，但进展较为迅速。北京科技大学、北京 5 浙江大学硕士论文 第一章绪论 有色金属研究总院、冶金部钢铁研究总院、包头稀土研究所、中科院物理所，中科院上海冶金 研究所和辽宁新城稀土压磁材料有限公司等单位在国家8 6 3 等项目的资助下都在从事该材料 的研究，其主要性能指标已接近或达到国际同类产品的先进水平 1 2 , 1 封。 i 2 2 超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理 超磁致伸缩材料磁致伸缩现象产生的机理如图1 2 所示1 1 4 】，铁磁质在量子交换力的作用下 发生自发磁化，内部形成一个个小的“自发磁化区”，被称为磁畴。每个磁畴内均存在磁矩， 它的取向一般为所有“最易磁化方向”中的某一个。在未被极化时，铁磁质中各磁畴内的自发 磁化方向不同，其统计平均磁矩值为零，因而在宏观上不呈现磁性。 在外加磁场的作用下，各个磁畴的磁化强度方向发生改变。首先是磁畴间的边界发生移动， 即取向与外磁场方向夹角小的那些磁畴的体积增大；当外磁场继续增加时，磁畴内的磁矩逐渐 旋转到与外磁场一致的方向，直至饱和。此时若外磁场再增加，铁磁质内的磁化强度也几乎不 再增加。在有外磁场时，大量磁畴的磁化方向趋于外磁场方向，同时引起晶格变形，宏观上即 表现为磁致伸缩现象。 n _ + s n - s ( a ) t = ( b ) 0 h h ，( c ) h 硎 朋1 2 磁畴内磁矩随外磁场变化情况 ( h ：平均磁化磁场强度；h s ：外磁场强度) 1 2 3 超磁致伸缩材料特性 1 、超磁致伸缩材料的物理性能 目前国内外市场上现有主要稀土超磁致伸缩材料产品有棒状、块状，管状、固片状，叠片 状，它们的物理性能如表1 i f l q ： 2 、磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应 当磁化状态改变时，铁磁性材料的外形尺寸或体积会发生微小的变化，产生磁致伸缩效应， 该现象由焦尔首先发现，因此又称为焦尔效应；如果铁磁材料处在一定强度外磁场作用下。当 它受力而产生变形时，其内部磁场强度将产生一定量的改变，这一现象即为磁致伸缩逆效应， 该现象由v i l l a r i 发现，又称为v i l l a r i 效应或压磁效应。磁致伸缩逆效应的物理解释是：对于在 一定强度外磁场作用下的铁磁性材料，当它受到外力作用而产生机械变形时，其内部同时伴随 着晶格的变化，引起磁畴内磁矩方向的改变，由此产生一个附加磁场，该磁场与外加磁场的叠 加导致材料内部磁场强度的变化。 6 ，。 浙江大学硕士论文第一章绪论 利用超磁致伸缩材料的正磁致伸缩效应，可以制作各种执行器，构成执行机构；利用其逆 磁致伸缩效应则可阻设计成各种传感器，并且同时利用其正逆效应可实现执行器与传感器的功 能集成，制作成自感知执行器。 表1 1 稀土超磁致伸缩材科( t b h 吼f 。砷) 物理性能 性能g m m ( 多晶轴取向) t b l - 凸，。f 室温应变量( 1 0 4 ) l 0 0 0 1 2 0 0 密度( g c m 3 ) 9 2 5 能量密度( k d m 3 ) 1 4 2 5 居里温度( ) 3 8 0 热膨胀系数( 4 ) 1 2 x 1 0 - 6 电阻率( w m ) 5 8 1 3 0 x1 0 热导率( ，脚k ) 1 3 5 杨氏模量( g p a )2 5 3 5 机电耦合系数局3 o 7 5 相对磁导率 3 1 0 抗压强度( 抒k ) 7 0 0 抗拉伸强度( m p a ) 2 8 响应速度( 厅坫) l 3 、磁致伸缩饱和现象 超磁致伸缩材料在弱磁场激励下具有较大的磁致伸缩系数k 磁致伸缩系数x 是磁场强度 的函数，在一定温度和压力下，l 刈随着磁场强度的增大而增大；当磁场强度增大到一定的时候， i 札r l 乎不再随着磁场强度的增加而增大，这种现象称为磁致伸缩饱和现象。图1 3 表示单晶 t b f e 2 在室温下的磁致伸缩饱和现象。 2 5 0 0 2 0 0 0 荟1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 04 8 1 2 0 01 6 0 02 0 0 0 h ( _ k a m ) 图1 3 磁致伸缩饱和现象( 单晶t b f e 2 室温) 7 浙江大学硕士论文 第一章绪论 4 、预压应力特性 如图1 4 可知，对超磁致伸缩材料沿轴向施加一定大小的预压应力，在外磁场激励下，可 获得更大的磁致伸缩。这一现象可以解释为：预压应力使一些原先磁化方向与外磁场方向接近 平行的磁畴向与外磁场垂直的方向偏转，因此g m m 内部那些磁化方向与外磁场垂直的磁畴数 目增多了，当施加轴向磁场后，更多的磁畴偏转，从而获得更大的磁致伸缩。但预压力过大， 磁致伸缩率会减小，这是因为在同等的磁场强度下，磁畴无法克服压应力而发生偏转。 守 o o 厘 霹 一 图1 4 不同压应力下的 书曲线 5 、温度特- 陛 温度对超磁致伸缩材料的磁致伸缩率影响十分明显，当温度趋进居里点，交换能减少，使 得磁致伸缩单调减少；超过居里点时，磁致伸缩特性将消失，但是温度降下来后，超磁致伸缩 材料的性能又将恢复 如图1 5 所示，该图显示了在1 3 8 m p a 、4 1 4 m p a 预压力和不同磁场强度作用下，工作温 度对超磁致伸缩材料伸缩系数的影响1 4 lj 。如图所示：在一定的预压力下，当温度从室温( 2 0 ) 开始上升时，磁致伸缩系数上升较快；不同磁场强度下，当温度在4 0 c - - 5 0 c 之间，超 磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩值；随着工作温度的进一步升高，磁致伸缩量开始缓慢减小。 1 j 且 o 1 i 1 o j ； 厣怒之i m 纩= ：l _ 么冀 舶 - 2 0o2 04 0 8 0 f r c 图1 5 温度对超磁致伸缩材车斗1 缩系数的影响 8 tjilt， 浙江大学硕士论文第一章绪论 6 、其它特性 倍频效应：超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应只与激励磁场的大小有关，而与激励磁场的方 向无关，如果不加偏置磁场，则超磁致伸缩材料在交变激励磁场作用下，磁致伸缩形变输出变 化频率是激励磁场频率的两倍，系统的高次谐波成份增加，总谐波失真增大倍频效应本质上 正是由于磁畴偏转导致的磁致伸缩与外加磁场的方向无关，只与磁场大小有关。 滞回特性：超磁致伸缩材料具有明显的磁滞现象，这是伴随着极大的磁致伸缩而固有的材 料特性，是由于磁矩转动的不完全可逆造成的。稀土超磁致伸缩材料磁滞现象的存在，对采用 它来开发线性应用器件具有一定的负面影响，主要是使这些器件的可重复性下降。磁滞现象无 法根本消除，但可以通过施加适当的预压应力和偏置场强使之减小，从而大大提高应用器件的 可重复性。 涡流损耗与高频工作特性：涡流损耗与材料的电阻率密切相关。涡流损耗会产生一定的热 量，引起材料的工作温度升高，并且产生受热膨胀。由于稀土超磁致伸缩材料的电阻率较低， 因而它的涡流损耗较为明显，而它的热膨胀对换能器的输出带来直接的影响。稀土超磁致伸缩 材料的热膨胀系数为1 2 9 xl o ，若工作温度升高几十度的话，则换能器因热膨胀而产生的 输出位移变化相对于其可控位移输出而言是非常大的。对于高频应用，超磁致伸缩材料中产生 的涡流损耗较大，因而对输出特性的影响较大，若不采取措施对伸缩元件的热变形加以控制， 则换能器整体的稳定性、精度和可靠性将比较差。 超磁致伸缩材料的材质硬脆易碎，传统的车、铣等机加工较为困难，应采用磨削、线切割 等手段进行加工 1 2 4 超磁致伸缩材料的主要特性参数 超磁致伸缩材料的主要特性参数有：磁致伸缩系数a 、弹性模量晟磁导率、动态磁致 伸缩系数文逆动态磁致伸缩系数d 和机电耦合系数k 等。d 、d 和k 是描述动态磁致伸缩的 重要性能参数，其中k 用来度量超磁致伸缩材料内部磁能与机械能( 弹性能) 间相互转换的效 率，动态磁致伸缩系数d 反映了磁致伸缩值对磁场的敏感程度，而逆动态磁致伸缩系数d 则 反映了压磁效应对压应力的敏感程度。它们分别由下列各式给出： 九= a 1 ( 1 4 ) ：盟i ( 1 5 ) 冼l h ：口 a 九l 2 别一 。：到 a 圳。一 ( 1 1 6 ) ( 1 7 ) 9 浙江大学硕士论文第一章绪论 ，船i 拈司。一 ( 1 8 ) 式中，刎：长度改变量；，：原始长度；盯：应力；日：磁场强度；b ：磁感应强度。 机电耦合系数i 是衡量超磁致伸缩材料磁能与机械能( 弹性能) 问相互转换效率的重要性 能参数，它与材料的机械运动方式有关。表示磁致伸缩材料的纵向( 试件轴向) 机电耦合系 数，基本上反映了材料的磁机耦合特性。在实际的执行器应用中主要利用的是其轴向线磁致伸 缩效应，因此一般主要关心其轴向机电耦合系数。b 可以用谐振一反谐振法将其测出i 。 1 3 超磁致伸缩执行器的应用研究现状 由于超磁致伸缩执行器( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a o r ，g m a ) 的大位移量，强力，大功 率、高可靠性、频带宽、有智能反应等优点，世界各国都投入了大量的人力物力。尤其是美国、 日本和德国，在磁致伸缩的研究方面取得了很多理论及应用成果。 国外在精密加工领域的成果很多，比如日本用直径6 m m 的超磁致伸缩棒制备了精密机床 工具伺服装置，其每平方毫米面积上的驱动力为5 8 8 n ，是p z t 的2 0 倍，加工单晶硅晶面的 平均粗糙度为i g n m l l 7 1 。美国e t r e m a 公司开发的大行程精密t e r f e n 0 1 d 致动器应用在活塞非 园加工机床上，最大行程为6 4 0 t t m ( 最大动态行程3 5 0 m ) ，位移精度达2 1 1 ；t m ，最大输 出力为2 6 7 0 n 。在微马达这一领域上，德国l k i e s e w e t t e r 教授研制的超磁致伸缩蠕动型直线马 达，可产生1 0 0 0 n 的驱动力，极限速率微2 0 m m s i ”j 美国的j m v n m i s h 等利用超磁致伸缩 材料开发的转动式步进马达扭矩输出达1 2 2 n m ，精度达8 0 0 微弧度在流体控制领域，瑞 典设计了一个用超磁致伸缩棒作为驱动元件的燃料注入系统，这种燃料注入阀用一根具有负磁 致伸缩系数的棒去开启阀针，当驱动电流为零时，阀针将燃料流关闭。这种系统能实现对燃料 的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减小污染，它在飞机和汽车等内燃机中已得到了应用【l ” 国内在超磁致伸缩执行器的研究方面起步较晚浙江大学机电一体化实验室1 9 9 7 年开始 超磁致伸缩材料的应用研究，将超磁致伸缩材料固定在镗刀杆的合适位置，电流驱动超磁致伸 缩材料伸长或缩短，从而使刀杆产生相应的弯曲变形，完成活塞异形销孔的加工1 1 9 1 ；夏春林等 ( 1 9 9 9 年) 用超磁致伸缩材料制作了用于压力气动阀的驱动元件1 2 0 1 ；，吕福在等( 2 0 0 0 年) 开 发了具有微位移放大机构的超磁致伸缩强力电磁阀，超磁致伸缩棒的伸长量通过变形梁得到放 大，顶杆输出位移，该阀具有响应快、输出力大等特点1 2 l 】。徐峰等( 2 0 0 2 ) 制作了主动振动控 制用的超磁致伸缩执行器，证明了超磁致伸缩执行器具有低频特性好，谐频影响小等优点田1 ； 石延平等( 2 0 0 3 年) 对用超磁致伸缩材料制作的高速开关阀进行了研究田j 目前，国内还很 少有商品化的超磁致伸缩执行器产品。甘肃天星开发了商用化的超磁致伸缩智能振动时效装置 ( w w w t x r e n c t ) ，长江工程地球物理勘测研究院开发了井问声波发射换能器等稀土超磁致伸缩