（航空宇航制造工程专业论文）超磁致伸缩式微小型高速开关阀驱动部件关键技术研究.pdf

摘要 摘要 高速开关元件是数控技术与液压技术结合的产物电液数字阀的执行机 构的关键元件之一，在机床控制、水电控制、火电控制、舰船控制、航天航空 飞行器控制和国防武器制导中具有广泛的应用前景。超磁致伸缩材料( g m m ， g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ) 是一种新型高效的磁( 电) 机械能转换智能材料， 具有磁致伸缩应变系数大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快等优点， 适合应用于微小型高速开关阀的驱动部件。本文对g m m 驱动器实现的关键技 术进行了研究和探讨。 本文对主要的几类电液控制元件进行了比较，说明了高速开关阀在电液数 控系统中具有的优点。粗略地比较分析了g m m 、p z t 及铁镍合金三种功能材 料的物理性能，显示了g m m 应用于高速开关阀的优势。介绍了磁致伸缩现象 及其形成机理，分析了g m m 的基本特性及其电一磁一机热力学性质。在此基础 上提出g m m 式高速开关阀驱动器的构成方案，制作了原型样机，并对其部分 性能进行了测试。 主要的研究工作如下： 1 ) 探讨了g m m 棒的特性参数设计与选型方法，使g m m 棒的各项特性参 数具有较佳组合； 2 ) 建立了适合高速开关阀驱动器的励磁线圈及偏置磁场的设计准则，从而 探讨了驱动器相关参数的优化；对驱动器的电磁场进行了二维有限元分 析，提出了较高激励频率下驱动器存在的问题及其解决方案； 3 ) 提出并试验了驱动器微位移放大机构的堆叠式新方案； 4 ) 设计并试制了g m m 式高速开关阀驱动器的原型样机，建立了驱动器性 能检测的实验系统。 关键字： 超磁致伸缩材料，微小驱动器，磁路磁场设计，电磁场数值模拟，微位移 放人 两匕工业大学碗上学位论文 a b s t a c t h i g h - s p e e do n o f fv a l v ei st h ek e ya c t u a t o rc o m p o n e n tf o rd i g i t a lv a l v e c o n t r o ls y s t e m i t sal a r g ep o t e n t i a lt ob ea p p l i e di nm a c h i n ec o n t r o l ，a i r p l a n e c o n t r o l ， a n dc o n t r o lo f d e f e n s e p r o d u c te t c w i d e l y t h e g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l( g m m ) i san e w t y p e o f m a g n e t o e l e c t r o - m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r s i o ns m a r tm a t e r i a l ( o rf u n c t i o n m a t e r i a l ) d u et o i t sg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v es t r a i nc o e f f i c i e n t ，h i g hp o w e r d e n s i t y , h i g h e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，a n dh i g hr e s p o n s e s p e e d ，t h i sn e wk i n do fs m a r tm a t e r i a li sm e r ys u i tt ob ead r i v e rc o m p o n e n t f o rs m a l lh i g h - s p e e do n o f fv a l v e t h i sp a p e rg o e si n t ot h er e s e a r c ha n d e x p l o r a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g yo fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ( g m a ) i nt h i sp a p e r , s e v e r a lt y p i c a la c t u a t o rc o m p o n e n t sf o rd i g i t a lv a l v ec o n t r o l s y s t e ma n dt h r e ef u n c t i o nm a t e r i a l s m a i np e r f o r m a n c eh a v eb e e nc o m p a r e d i ts h o w e su da d v a n t a g e o u so ft h eh i g h s p e e do n o f fv a l v ew h i c hb a s e do n g m m ( o rg m a ) t h eg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ep h e n o m e n o na n di t sm e c h a n i s m a r ed i s c u s s e d t h eb a s i cp r o p e r t yo fg m mi sw e l lu n d e r s t o o da n dt h es y s t e m o fg m af o rt h eh i g h s p e e do n o f fv a l v ed r i v e ri sp r o p o s e d ag m af o r h i g h s p e e do n o f fv a l v ed r i v e ri sd e s i g n e d ，o p t i m i z e d ，a n dm a n u f a c t u r e d t h e d r i v e ri sm a d eu po faa c t u a t o ra n dam i c r o - d i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r t h e t e s t i n gr e s u l t so f t h ed r i v e rs h o wt h ea d v a n t a g e so fg m aa n de x i s t e n t d i s a d v a n t a g e sn e e dt ob eo v e r c o m e t h ep a p e rh a sd i s c u s s e dm e t h o d st h a ts e l e c ta n dd e s i g nt h eg m mr o d p a r a m e t e r t oo p t i m i z ei t sp e r f o r m a n c ec o m p o u n d i n g b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e l ，i nt h i sp a p e r ，t h es t a t i ca n d t r a n s i e n tr e s p o n s eo fg m md r i v e rh a sb e e ns i m u l a t e db yl i n e a ra n d n o n l i n e a r2 df e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，s o m er u l e sa n ds u g g e s t i o n sa r e p r o p o s e dt od e v e l o pt h eg m m d r i v e rf o rn e x ts t u d y an e wm i c r o d i s p l a c e m e n ta m p l i f i e rs o l u t i o n ，w h i c hs u i t sf o rt h i sd r i v e r h a sb e e np r o p o s e d ，d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d p e r f o r m a n c e so ft h eg m md r i v e rp r o t o t y p ea r em e a s u r e db yt h et e s t i n g s y s t e mw h i c hi sc r e a t e db yu s 摘要 k e y w o r d ： g i a n tm a g n e t o s t d c t i v em a t e r i a l ( g m m ) ，m i n id r i v e r a c t u a t o r , m a g n e t i c a c i r c l e f i e l dd e s i g n ，m a g n e t o e l e c t r os i m u l a t i o n ，m i c r o d i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r i l i 第一章绪沧 第一章绪论 2 0 世纪以来，自动控制技术和自动化科学的迅猛发展尤其是2 0 世纪7 0 年 后计算机技术的快速发展，为机电一体化的自动控制技术开辟了新的途径。3 0 年来，液压控制技术由于其高响应、高精度、高功率一重量比和大功率的特点， 已经广泛应用在机械制造、交通运输、航空、航海、军事等工业部门，也被应 用到宇宙航行、海洋开发等方面。例如：雷达天线平台水平调节系统，各类飞 行器的控制、制导系统，各类遥控系统的运动姿态实时调节等。 反馈技术在液压系统中的应用，数控技术与液压技术的结合，都极大地推 动了液压技术的发展，同时也提出了新的课题。能实现计算机直接控制的电液 数字阀符合可与计算机进行通讯的“功能接口”技术的潮流，而研制与之相匹 配的高速开关阀是该课题的关键技术之一，也是当前的研究热点。 1 1 论文研究的背景和意义 电液数字阀是数控技术与液压技术结合的产物。电液数字阎的数字化形式 主要分为数模转换式和高速开关式两种，前者利用d a 转换器和成熟的伺服阀 和( 或) 比例阀，易于实现高精度的伺服控制，其实质是数字模拟混合系统。 后者能够与电子电路很好地配合，容易实现与计算机接口，不需d ，a 转换器， 直接在控制元件上实现数字化。尤其后者还具有结构简单、价格低廉、抗污染 能力强等特点，因而被广泛应用于各种各样的液压系统中【1 1 。 表1 - 1 通过与伺服阀和比例阀的比较，对高速开关阀的主要特点进行说明。 表1 - i 三种电液控制阁的特征比较【2 】 高速开关阀比例阀伺服阀 结构 简单较简单复杂 控制精度 差 较好好 响应速度差 较好好 与电子电路的配合很好较好不太女f 价格 极低较贵很贵 抗污染麓力极强较强弱 就“【作原理而古，高速丌关电磁阀与普通电磁阎并无本质区b i j ，都是利用 电磁力和弹簧力驱劬阀芯以改变油液的流向、接通或关闭油路，小越山于其阀 芯的质最和行程部很小，凼而能以很高的响应速度跟踪控制信号= 阿1 - 1 为媳 型二位通赢速 x 阑的结构。表l 一2 为阎的一些基本参数和榭：能 与伺服阀和比例阀的连续控制方式不同，高速开关阀采用脉冲流量控制方 式。直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作，在出口输出一系列相应的脉冲 流，这一系列脉冲流的时间平均被视为控制流量。流体脉冲列的形成和调节方 法有多种。随着数控技术的日益发展和不断成熟，人们将最早出现在电机数字 控制中的脉宽调制( p w m ，p l u s w i d t h o f m o d u l a t i o n ) 和脉码调制( p c m ，p l u s c o d eo f m o d u l a t i o n ) 等技术引入电液控制系统领域，以达到或接近比例控制的 效果，并实现计算机自动控制。 最高切抉频率5 0 h z 最大流量8 u m i n 最高压力1 7 m p a 控制电压2 4 v 最大电流1 2 a 阀芯直径 6 m 阀芯行程 o3 m m 图1 - 1 典型高速开关电磁阀结构图嗍表1 - 2 典型高速开关电磁阀基本参数和性能1 2 】 图1 - 2 高速开关阔的控制原理框图 高速开关阀的控制原理框图如图1 2 所示，在该系统中，数字阀是高速开 关型，即只有“开”和“关”两种状态。通常采用时间比率( t i m er a t i oc o n t r 0 1 t r c ) 式p w m 方法来达到控制流量的目的。 一般情况下，系统的流量系数、阀的开口面积和压差为常量，因此基于p w m 方法的液压控制系统的流量与变调率成币比，其中变调率( d u t y ) d 表示为( 图1 。3 ) 阀开启时间与控制信号( 电压) 周期的比值刊= t o n t c 。由图1 - 4 可以看出，尽管在较大范围内高速开关阀变调二铲流量特性曲线具有较好的线 性，但存在明显的零位死区。这主要是 i if 阀的动作响应相对控制信号滞后造 成的( 据相关文献报道，滞后时间一般n1 5 m s0f i ) 。为了消除这个零位死区 第一章绪论 以提高系统的控制精度，国外一些学者提出了一些行之有效的措施，如： 1 ) 在控制方面对滞后时间进行补偿和采用差动p w m 控制等等。由于篇 幅的原因，本文对其具体方法不予详细讨论，根据相关文献报道，这些方法能 够消除死区现象和提高阀的流量特性的线性度，实际控制系统已经具有相当高 的控制精度。 流| i q l i 一 臼垦嗣亨 言1 0 目 巴 口 5 髫 冒 睁 0 图1 - 3p w m 控制原理示意图 图1 - 4 高速开关阀的变调率流量特性曲线 2 ) 研制高性能的高速开关阀。研究人员在控制系统方面进行不懈地努力的 同时还积极地进行有关高性能的高速开关阀的研制工作。出现了各种形式的高 速开关阀。按照驱动元件的结构形式主要分为：螺线管式电磁铁驱动和扳 合式电磁铁驱动，是目前应用最为广泛的两种高速开关阀。但要产生较大的电 磁吸力则需要较多的安匝数，体积较大，电磁阀发热现象严重，由于铁芯的回 滞等因素使得电磁阀的响应速度难以进一步提高；力矩马达式，这种驱动可 获得较短的动作时间，由于力矩马达的功率一般较小，整个阀的通径不可能做 得很大；电致变形元件( p z t ) 驱动，其基本原理是利用某些功能材料通电后产 生的变形，控制阀口的启闭，具有响应速度快，体积小，效率高等特点，是一 种具有很好发展前景的驱动方式，但工作电压高、位移小、滞环大、工艺要求 高等因素制约了它的应用空间，目前只能用于小功率的高速开关元件口1 。超 磁致伸缩材料( g m m ) 驱动，其原理是利用稀土超磁致伸缩材料在变化磁场中的 变形，控制阀口的启闭，是继p z t 之后的又一种引起人们广泛关注的驱动方式。 本论文的研究对象为超磁致伸缩高速开关阀驱动部件，f 面对g m m 的性 能以及国内外在g m a 应用于流体控制阀的研究现状作进一步的陈述。 比 1 2 国内外研究现状及其进展 超磁致伸缩材料能有效地实现电能与机械能的相互转换，具有应变值大、 电一机转换效率高、能量密度大、响应速度快等特点。目前各国学者都在致力于 将该材料应用到工业甚至于日常生活的各种器件中，例如用该材料制造的高速 线性蠕动马达等致动器和驱动器，可实现快速液压系统控制、武器的精确定位、 主动阻振防噪和燃油喷射控制，可用于制造智能机翼、高精度进给机构( 如纳 米级精密加工机床) 和柴油发动机电喷阀等。该材料还可应用于大功率超声换 能器、电路板焊接机器人、延迟器和传感器等【1 4 1 。 应用g m m 制作的开关控制元件具有输出功率大、响应频率高、体积小、 重量轻等特点，可以提高电液系统的控制精度，减少其体积和重量，在国防工 业有着巨大的应用价值与前景! 例如：应用于雷达天线平台水平调节的电液控 制系统，可提高雷达工作性能( 如精确探测飞行目标位置及提高图像清晰度) ； 应用于航天、航空以及各类飞行器的控制、制导系统，如无人机或者导弹、鱼 雷的电液控制系统中，可提高其作战性能；用于各类遥控系统，减少遥控环节 的时滞影响，使得控制对象的实时运动姿态调整成为可能。 由于g m m 驱动器在流体控制系统应用中有诸如上述的应用前景，许多国 家对g m m 驱动式流体控制阀的研制产生了浓厚兴趣，其目的是利用g m m 的 优异特性来制作高性能的电液控制执行元件，以提高电液控制系统的性能。 图1 5 为德国e o t a n d t 等人研制的一种悬臂梁式超磁致伸缩薄膜微 型阀，它利用薄膜的伸缩效应就可实现阀的工作口胡。当阀门关闭时，通道口与 镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相连，液体在连通的上、下两个腔体中同时存在 但不外流。当外加磁场时，磁致伸缩薄膜发生变形使基片产生弯曲，这时通道 口与基片相分离，液体便从上腔经过出口流出，达到控制的目的。研究试验表 明，当外加磁场为3 0 m t 时产生最大开口量，驱动磁场也大大减小。 a j 一关b j 一开 c j 岛i 斟i 一5 链臂梁式儆毁冲缩薄膜微型阀 美国的m 。g o o d f r i e n d 等人用g m m 转换器作为驱动器改造了一台比洌 第一章绪论 阀，在3 0 0h z 时该阀阀芯位移达0 1 2 2 英寸，其最高驱动信号频率可达5 k h z ， 图1 - 6 为该比例阀的结构示意图，它直接利用超磁致伸缩棒的输出位移对比例 阀进行控制【“。a l i ，k a z i mm 等人利用g m m 研制了一个高频响的小型液压泵 【1 ”。n a g a y a 等人用g m m 研制了用于内燃机燃油喷射数字化实时控制的动力系 统吼美国v u l k a n 公司利用稀土铁超磁致伸缩材料t e r f e m 0 1 d 已经开发出 应用于飞机液压控制系统的驱动器产品( 如图1 7 所示) 1 2 1 。 图1 - 6 采用超磁致伸缩材料的比例阀【o j图1 - 7 飞机液压系统的g m m 驱动器产品1 1 4 i 日本的t a k a h i r ou r a i 等人用g m m 转换器设计出了直动式伺服阀，其结 构如图1 8 所示【9 1 。它的原理是通过线圈中变化的电流产生磁场，使g m m 伸缩， 从而驱动与g m m 转换器直接连接的阀芯产生位移，并且按照其位移量大小来 控制阀口流量。此外，对应于超磁致伸缩材料磁场的变形特性为非线性，用位 置传感器和放大级使用p i 闭环控制的方法加以调节和克服。它的特点是采用闭 环控制，结构紧凑、精度高、响应快。该阀的性能指标见图1 7 中表。 g m m 伺i i 一的性指标 一巷行程均5 0 u m 室毫量均2 0l r a i n 一膏 o 2 分辩搴 o 1 垃性度曲 铺 _ 卜j 氏应 约l m 9 l o 假a 阜应约8 3 0h z - 3 d b 室电压0 v i 馈儡压压力油口2 冈芯3 硪豉伸缩棒4 鳃置 5 霸节螺钉6 骨槊7 一体8 位咎传感嚣 图1 - 8g m m 直动式伺服阀结构p 随后，j2 0 0 1 年，t a k a h i r ou r a i 等人利用超磁致伸缩驱动器( g m a ) f l ；控 制引导阀并利用水位应馈控制机制为c o m m o n r a i l 系统建立丁流量可”， 射阀， 该喷射阀采厂h 交替钏“。( 如图i - 9 所示) ，使得g m m 驱动器的总 。- ，时与普 通的直动式相比增加了一倍。在1 6 0 m p 的压力下，阀的流量可达3 0 m l m s ，开 启延时为o 3 m s ，关闭延时为0 5 m s 1 0 1 。 图1 - 9g m m 驱动强力喷射阀结构示意图及产品展示1 1 0 l 国内浙江大学流体传动与控制国家重点实验室丁凡等人在国内较早地 开展了g m m 在流体控制元件中的应用研究并设计出气动喷嘴一挡板型伺服 阀。其结构原理如图1 1 0 所示【l l l 。 系统供气压力由精密减压阀设定，控制腔的进气量由节流阀调整；压力传感 器把压力信号反馈到输人端，形成压力闭环控制。喷嘴孑l 径为0 8 m m 。电机械 转换器输出顶杆作为挡板，对应不同输入信号u i ，喷嘴与挡板的间距d 随之改 变，从而改变控制腔的压力，供气压力为0 2m p a 。试验表明：采用压力闭环 控制的g m m 气动伺服阀具有较宽压力控制范围，良好的线性度和较快响应速 度f 时间常数小于2 0 m s ) 。 剀1 1 0g m a 驱动的气动喷嘴挡板压力阀结构原理图i 江苏淮海工学院石延平等人也报导进行了一些超磁致伸缩材料应用于 高速丌羌阀方面的一些工作。他们研制的高速开关阀采用二级拧制，先导阀采 用特殊阀芯结构犀利用磁致伸缩驱动器作为电一机转换装置，f 电得该阀的切换 时问为8 - 1 0 m s ，髓大输出流量达到了1 2 0 l m i n l l 2 i 。 总体来说卜1 内关fg m m 材料应用于电液系统控制执 。l 件的研究作 第章绪论 不多，有继续深入研究的必要【1 3 】。 1 3 本文研究的主要内容和工作安排 本课题研究的超磁致伸缩式高速开关阀的驱动元件，是对超磁致伸缩式高 速开关阀驱动器进行的基础性研究。其主要内容是利用g m m 的高能量密度、 高电磁耦合系数、电一磁机械转换特性，利用磁致伸缩材料在磁场中产生形变， 结合用于放大该形变的微位移放大机构，设计符合高速开关元件要求的高频率 响应、大输出力、大输出位移的g m m 式高速开关阀驱动器原型样机，为g m m 式高速开关阀的应用开发打下良好的理论与技术基础。 本文的研究内容主要包括： 1 ) 设计并实现用于g m m 棒及g m m 驱动器原型样机性能检测的实验系 统，对g m m 棒的基本性能参数进行测试分析，获取研究所需的基础数 据。 2 ) 基于超磁致伸缩材料的微小高速开关阀驱动机构的总体设计与实现。 3 ) 利用电磁学知识，结合g m m 的工作特性基本参数，设计超磁致伸缩驱 动器的磁路结构及优化准则： a ) 确定材料的预压应力sy 、偏置场强岛、激励磁场强度风； b ) 根据实验数据以及实际工作情况，确定g m m 棒的尺寸； c ) g m m 驱动器的电磁参数的设计与优选。 4 ) 对研制的g m m 驱动器及安装了位移放大机构的g m m 驱动器进行输入 输出响应性能测试。 名称约定： 本文所 * 的g m a 、g m m 驱动器或超儆致伸缩式f j i c j “器均为趔“敛伸缩式高速开关阀驱动 部计的圳亿：所指的g m m 式高速开关蒯驱动器山犍了微伊f # 故人机构昀g m m 驱动器。 第二章超磁致伸缩材料的基本特性介绍 稀土超磁致伸缩材料是继稀土发光、稀土永磁、稀士高温超导等材料之后 又一种引人广泛瞩目的稀土功能材料。这种材料能有效地实现电能与机械能的 相互转换，具有应变值大、电一机转换效率高、能量密度大、响应速度快等特点。 本章将重点介绍磁致伸缩现象及稀土超磁致伸缩材料的基本特性。 2 1 磁致伸缩现象及产生机理简述 铁磁材料和亚铁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的 变化，这种现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩现象有三种表现形式【 】：沿着 外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩；垂直于外磁场方向尺 寸大小的相对变化。称为横向磁致伸缩；材料体积大小的相对变化，称为体 积磁致伸缩。纵向和横向磁致伸缩又统称为线性磁致伸缩，是1 8 4 2 年由焦耳 ( j o u l e ) 发现的，所以又被称为焦耳效应。线性磁致伸缩应变系数a 可表示为 型 _ 一 f ( 2 1 ) 式中：f 为材料长度变化量，、f 为材料的长度。 的符号为正，表明随着磁场 的增强，材料的长度变化是伸长的，称为正磁致伸缩：反之，a 的符号为负， 表明随着磁场的增强，材料的长度变化是缩短的，称为负磁致伸缩。 磁致伸缩是由于材料内部磁化状态的改变而引起的长度变化，反过来，如 果铁磁材料受到机械力作用时，其内部将产生应变，从而产生应力，将导致磁 导率等磁化状态发生变化，这是磁致伸缩的逆效应，通常称为压磁效应。 磁致伸缩是相当复杂的现象。具体来说，单畴铁磁体形状和体积的改变是 由自发形变、形状效应和场致形变共同作用的结果。其中，自发形变、形状效 应的产生是材料本身所固有的，不受外磁场的影响。场致变形则是因自旋与轨 道耦合能和物质的弹性能平衡而产生的，与磁化过程密切相关，并且随应力变 化而发生变化。稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变主要依赖于场致形变1 1 6 】。 下面的这个模型可形象地说明稀土g m m 场致形变的产生过程。 图2 1 表示两个小磁针a 和b 间的相瓦作用。在外磁场h 中，a 和b 处于 能最最小的平衡位置，如图2 - 1 ( a ) 所示，d o 表示a 和b 之f n j 的平衡距离。如果 把外磁场h 的方向转动9 0 0 ，如图2 一l ( b ) 所示，a 和b 的相互作用能发生了变 化，面能量最小的平衡位置变成d 1 。d ：- d o 印随扦磁场能量变化而产生的磁致 伸铺r 、j 童。 第三章g m m 驱动器结构及磁路设计 s a d o ( a ) 扇一b ( a ) 外磁场h = 0 时( b ) 外磁场o 时 图2 2 铁磁体场致变形( 磁致伸缩) 示意图 n s n s n s ( i ) 耳d( b ) d 茸( 胁( 0 丑 一h b 斟2 - 3 磁畴内部磁矩随外磁场变化情况 外磁场作用到铁磁体的丌始阶段，由于磁场较小，只能使磁畴间的也界发 生移动( 即使取向与外磁场方向夹角小的磁畴体积增大) ，如图2 - 3 ( b ) 所，j 、：当 外磁场继续增强时，磁嗍l + j 部的磁矩会发生旋转，各个磁畴的磁致伸缩：蹙方 ”hil| 向也都排列在外磁场方向，此时材料的磁致伸缩量迅速增大，如图2 3 ( c ) 所示； 当外磁场增加到一定数值时，铁磁体内的磁畴基本与外磁场方向平行，铁磁体 将不再伸长，即达到了饱和磁致伸缩状态，如图2 - 3 ( d ) 。该过程分别对应于图 2 - 4 磁场强度日与磁致伸缩应变系数a 升程曲线。 图2 - 4 磁场强度与磁致伸缩应变的关系曲线 2 2 磁致伸缩唯象方程式旧 2 21 磁性晶体物理性质之间的关系 超磁致伸缩材料作为一种磁性晶体，其磁、机械和热性质之间的作用相对 较强，因此通常主要讨论这三个量之间的关系。可以把其中的一种物理量看成 作用在晶体上的广义力，而另一种物理量看成是这种广义力作用下的广义位移。 例如，温度、应力、磁场强度等看成是作用在晶体上的力，而熵、应变、磁感 应强度等就是这些广义力产生的广义位移。这些物理量之间的关系决定了晶体 的物理性质。由广义力产生某个广义位移的现象称为效应。一种广义力可能产 生多种广义位移，一种广义位移也可能是多种广义力综合作用的结果。图2 5 说明了磁性晶体各物理量之问的关系。 图中，外围三角形顶点分别为广义力磁场强度h 、温度0 、应力s 。内 围三角形顶点分别为广义位移磁感应强度b 、熵s + 、应变e 。两顶点之间 的连线相当于一定的效应。两二角形对应顶点物理量之间的连线表示主效应， 两三角形非对应顶点物理量之m 的连线或一三角形两顶点物理量之间的连线 表示耦合效应。每条连线两端的两个物理量就确定了晶体的一种物理性质。 第三章g m m 驱动器结构及磁路设计 力 磁学量 图2 - 5 磁性晶体各物理量之间的关系【1 7 l 2 2 2 磁性晶体磁、热和弹性性质的热力学方程 对于超磁致伸缩材料，选择h 、仉口作为独立变量，b 、s 、f 作为因变量， 相应的热力学方程的积分形式为【1 7 l ： 5 t s a + d 7 疗+ 口。a 0 ( 2 2 a ) b = d 仃+ 一。h + p 。a 0 船+ 兰口7 盯+ p 7 h + ( c 口) 口 r 2 2 b ) r 2 - 2 0 式中：s 是恒磁场、恒温下的弹性柔顺系数矩阵；d 是恒应力、恒温下磁致伸缩 应变系数矩阵：口是恒磁场、恒应力下的热膨胀系数矩阵；p 是恒磁场、恒应力 下的热磁转换系数矩阵；是恒应力、恒温下的磁导率系数矩阵：c 是恒应力、 恒磁场下的单位体积的热容量，为标量：上标r 表示矩阵的转置。 若超磁致伸缩材料工作于恒温状态( b p a 0 = 0 ) ，则式( 2 6 ) 变为： = s h - 盯+ d - h ( 2 3 a ) b = d 。仃+ “h( 2 - 3 b ) 式中：，是恒磁场下的弹性柔顺系数矩阵；j ，是阿应力下磁致伸缩应变系数矩 陷磁致1 申缩常数d 定姚( 言p 们。或常蛐( 当日_ 。或常数) o 上式( 2 - 7 ) 称为第一类压磁方程或磁致伸缩方程，其边界条件为机械自由 p = 0 或常数) 和磁场短路( 日= 0 或常数) 。当超磁致伸缩材料作为执行器驱动材 料时，可使用第一类压磁方程描述其各相关参数之间的关系。 如果改变边界条件，还可得到第二、三、四类压磁方程式。 2 3 超磁致伸缩材料基本特性 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。由于其应变量小 ( 1 0 - 6 _ 1 0 - 5 ) ，与热膨胀系数差不多，因而使用范围局限于超声换能器方面。直到 2 0 世纪7 0 年代美国海军标准实验室( n o l , n a v a lo r d i n a n c el a b s ) 研制出在常 温下显示巨大磁致伸缩应变而各向异性常数k 近乎为零的三元稀土合金材料 t b o 2 7 d y o 7 3 f e 2 并将其推向实用化，其典型商品牌号为t e f f e n 0 1 d 。 2 3 1 超磁致伸缩材料的基本性能 超磁致伸缩材料( g m m ) 是一种能实现电一磁一机能量( 信息) 转换的新型 功能材料，该材料能够在低压( 3 6 v ) 电流形成的磁场环境中，于1 0 5 1 0 - 6 秒的 时间内产生1 2 0 0 - 2 4 0 0p p m ( 1 p p m = 1 0 4 ) 的磁致伸缩应变，高效、准确、稳 定地形成与磁场波动特性相匹配的( 无滞后) 响应。与其他驱动器相比，超磁 致伸缩式高速开关阀的优势在于结构简单、响应速度快、稽度裔、输出力大： 工作电压低、几乎无疲劳极限等。 表2 - 1 几种常用功能材料的典型物理性能指标【 1 【 】 材料特性名称g m m ( t c r f c n o l - d ) 压电陶瓷( p z t )镍( n i ) 杨氏模量g p a 2 5 3 5 7 33 2 0 热膨胀系数m m c 1 1 2 1 01 3 1 3 抗压强度s p a 7 0 0 |3 0 0 居里温度* c 3 8 0 4 01 8 0 1 0 0 3 5 4 应变值1 0 6 1 5 0 0 一2 0 0 01 0 0 - - 6 0 0 4 0 能量转换效率 4 9 - 5 62 3 巧2 能量密度j m o 1 4 0 0 0 - 2 5 0 0 06 5 0 一9 6 0 3 0 响应速度加s 1 约1 0 磁机械耦合系数 o 7 加7 5o 5 加6 0 3 与压电材料( p z t ) 及传统的磁致伸缩材料n i 、c o 等相比，超磁致伸缩材料 具有独特的性能：事湍下的磁致伸缩应变值大( 1 5 0 0 - 2 0 0 0 p p m ) ，是n i 磁致伸 缩应变的4 0 5 0 俯，p z t 电致伸缩应变的5 8 倍；能量转换密度高 ( 1 4 0 0 0 2 5 0 0 0j ，m j ) ，是镍( n i ) 的4 0 0 5 0 0 倍，p z t 的1 0 2 5 “+ ：响应述度 1 2 第三章g m m 驱幼器结构及磁路设计 快，响应速度一般在几十毫秒以下，甚至达到微秒级：输出力大，负载能力强； 磁饥耦合系数大，电磁能机械能转换效率高，机磁( 电) 耦合系数可达0 7 2 。具 体数据详见表2 - 1 1 1 8 , 1 9 1 。 超磁致伸缩材料的特性主要表现在几个指标方面，即磁致伸缩应变系数名、 磁导率肌杨氏模量e 和抗压强度s 。等，综合特性表现为磁力学耦合系数k ， 即磁能向弹性能的转变： k t a e 么耽( 2 - 4 ) 式中，岸为磁导率，e 为杨氏模量，a 为磁致伸缩应变系数，睨为各项异性 总能，包括结晶能、内应力能及组织不均匀性能等。 表2 - 2t x 系列稀土超磁致伸缩材料产品性能1 2 0 l 尉2 - 6 定向结晶钮i 向铁人融j 。i l m j 衍材料n 小j 叫硕麻力下的，“随磁场变化的曲线仁 上述各项数值取决于材料的化学组成、晶相组成、杂质、晶体结构及晶粒 取向，所以磁致伸缩的性能主要依赖于制备工艺，不同的工艺手段制取的样品 性能可能相差甚远，即使是同一厂家制取的不同批次甚至是同一批次的产品也 可能有较大的性能差别。本课题的g m m 驱动器设计是建立在对已有材料性能 进行了相关性能测试的基础上。采用甘肃天星稀土功能材料有限公司生产的t x 系列稀土超磁致伸缩材料，其产品的基本性能见表2 - 2 及图2 - 6 。 2 3 2 超磁致伸缩材料的基本特性 1 磁致伸缩特性 稀土铁系超磁致伸缩材料是具有立方m g c u 2 结构的l a v e s 相化合物，其饱 和磁致伸缩应变系数如可以表示为【l 5 j ： 21 九一詈 ( 口；卢? + 口2 2 _ p 2 2 + 口3 2 p 3 2 一言) + 3 l l ( 口1 口2 卢1 卢2 + c c 2 口3 卢2 卢3 十口i 口3 芦1 卢3 ) 二。 式中： 1 0 0 和a 1 1 1 分别是沿 和 方向磁化到饱和时所测得的这些方向的 长度变化；a l 、a 2 、t a , 3 表示磁化强度在x 、y 、z 轴的方向余弦：芦1 、p 2 、历表示 测量方向在x 、y 、z 轴的方向余弦。 超磁致伸缩材料具有以下伸缩特性f 2 1 , 2 2 ： ( 1 ) 磁致伸缩应变随着外磁场的变化而改变，而外磁场的方向变化时，磁致 伸缩应变的方向并不改变。当外磁场增加到一定数值后，磁致伸缩应变 的大小趋于饱和； ( 2 ) 稀土铁系超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变具有较强的各向异性，在不同 方向上测得的磁致伸缩数值相差很大。其中， 方向的磁致伸缩应 变最大。因此一般将超磁致伸缩材料制成单晶或取向多晶，以获得较大 的磁致伸缩应变。实用中，我们感兴趣的是应用方向( 棒材的轴向) 上的 磁致伸缩应变系数，如图2 6 。 ( 3 ) 磁致伸缩应变与磁场的关系曲线是非线性的，并存在一定的迟滞现象， 如图2 - 6 。当激励磁场较小或接近饱和时，超磁致伸缩材料的伸长量较 小；而激励磁场在中间段时，超磁致伸缩材料的伸长量较大。因此应该 尽量利用磁致伸缩应变与磁场关系曲线的中间段，如设置一个初始的偏 置磁场，将激励磁场的最大值设置在曲线的“膝点”附近，以利用曲线 线性较好的中间段。 第三章g m m 驱动器结构及磁路设计 2 机磁耦合特性 超磁致伸缩材料在磁场中发生磁致伸缩效应的同时，超磁致伸缩材料所受 到的机械应力也会对其内部的磁化状态产生影响，即磁致伸缩逆效应。由于磁 致伸缩效应与磁致伸缩逆效应的存在，使材料中原本相互独立的两个子系统一 磁系统和机械系统发生了耦合。此时，反映材料力学性能的杨氏模量不仅仅 取决于其应力，应变关系，而且与材料的磁化状态有关；同理，材料的磁化率也 不仅仅取决于其磁化强度与磁场的关系，而且与材料的受力状态有关。换而言 之，对于磁性材料，如果其磁致伸缩应变不为零，那么磁学量和力学量之阊就 会关联起来，如图2 - 5 所示，其关系可由第一类压磁方程( 式2 - 2 ) 表示。 从式( 2 2 ) 可知，磁致伸缩效应和磁致伸缩逆效应的本质是材料的磁系统和 机械( 弹性) 系统发生了能量交换。在绝热和与外界无能量交换的热力学条件下， 这种双向转换的效率相等，可以用机一磁耦合系数( 又称磁弹性耦合系数) k 来 度量【矧，即 七一黼= 粼( 2 - 5 ) “ 机械能( 输入)磁能( 输入) 从式( 2 2 ) 中分别消去日和s ，并引入剐度系数k 代替柔度系数s ，则有： x ”# ( 1 一南 ( 6 ) 当磁场能转换为弹性能时，磁导率由旷变为旷，那么 n等篇霉=等；筹(2-7)1uh i“ 。 o，o 当弹性能转换为磁场能时，刚度系数由k 8 变为j 一，那么 n 笔蒜婴一等；鲁 p 印 莆咕醯场谨世h ，k a - m 、澈劢硅场强度h , , l t a m 1 图2 7 材料的机械耦合系数，艇自“j 定系削2 - 8 不同机械预应力下机械效率与磁场的t j _ 麟一 机械耦合系数是评价超磁致伸缩材料性能优劣的重要指标之一。机磁耦合 系数的大小不仅与超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变系数、磁导率、刚度系数有 关，还与材料所受的压紧力和外磁场的大小有关( 如图2 7 及图2 8 ) ，而且与 其成分配比有很大的关系，因此，在应用中须根据需要对g m m 的压紧力和外 磁场等参数进行优选，以使g m m 能够获得较大的机械耦合系数。 3 动态特性 在交变磁场作用下，超磁致伸缩材料的特性与其在静磁场作用下的特性有 很大的不耐1 5 1 。 d 倍频现象l g m m 在交变磁场激励下，其应变频率为激励磁场频率的两倍的现象叫做 g m m 的倍频现象。本课题研究的高速开关阀采用p w m 方法，激励电流为单 向矩形波，不存在交变磁场，因此无需考虑g m m 的倍频现象。 ) 磁滞损耗 在静磁场中，超磁致伸缩材料的磁导率是实数，但在变化磁场中，由于存在磁滞效应、 畴壁共振、自然共振等。超磁致伸缩材料的磁感应强度比外加的变化磁场落后一个相位， 即其磁导率为复数。交变磁场中g m m 的相对磁导率可表示为 声= 吉詈一古老e - i 6 p l i _ i u ”( 2 - 9 ) 其中：肛7 = i 鲁= - s d ，”- 击s i n 6 由于复数磁导率肛”的存在，使得磁感应强度日落后于外加磁场h ，这将引 起g m m 在交变磁化过程中不断的消耗外加能量。处于均匀交变磁场中单位体 积的g m m 单位时问的平均能量损耗( 称为磁损耗功率密度) 为： 磊= 玎伽o z h 。2 = 玎f 吃h 。s i n 5( 2 - 1 0 ) 式中，为外加交变磁场的频率。由式( 2 1 0 ) 可知，g m m 的磁损耗功率与磁导 率的虚部成正比，而与实部无关，与外加磁场的频率、幅值的平方成正比。 i i i )涡流损耗 交变磁场激励下棒状g m m 单位氏度的涡流损耗功率w 。为 彬= 等 ( 2 1 1 ) 第三章g m m 驱动器结构及磁路设计 式中：r m 、s m 分别为g m m 棒的半径和电导率； 的相对磁导率为肌。则集肤深度的表达式为 铲丘 s j 为集肤深度，设g m m 佗1 2 ) 变化磁场产生的涡电流会激发一个感生磁场阻止外磁场引起的g m m 棒的 磁通量变化，这将影响g m m 棒的位移输出大小和响应时问。另外，由式( 2 3 ) 可知，g m m 的热状态对其性能影响较大。因此动态应用条件下，应采取措旌， 对磁滞损耗和涡流损耗所产生的热量进行抑制，如采用水冷、气冷恒温系统控 制其温升或应用叠片状g m m 等方法减少涡流，增加偏置磁场，减少交变磁场 的幅值等等。 4 其他特性 1 ) 压应力特性 g m m ( 棒) 沿轴向施加压应力时，其磁化曲线和磁滞回线变得平坦，而磁 致伸缩应变曲线变得陡峭( 图2 - 6 所示) 。这使得g m m 在低磁场下就能获得很 高的磁致伸缩应变值，这一现象称为磁致伸缩压应力效应。其中，磁致伸缩应 变衄线交得陡峭这一现象也被称为磁致伸缩的“跳跃”现象，c l a r k 等人采用孪 生单晶的物理模型对“跳跃”现象进行了解释【2 4 】。 量 己 = l 色 占 图2 - 9 不同预压力下磁致伸缩应变系数与温度的关系曲线 由图2 - 6 、图2 8 及图2 - 9 分析可知，g m m 在实际应用时，应在轴向预加 适当的压力，一方面可以增大磁致伸缩应变系数、材料的磁机耦合系数及磁致 伸缩应变系数刈磁场的灵敏度等，另一方面，g m m 的抗拉强度远小于抗压强 度，颅加压j 也丁以增强材料的抗拉能力。 妻，懈矬1雌懈4l珊洲“，坼蜡 i i ) 温度特性 g m m 的温度特性对实际应用具有十分重要的作用，但作用机制目前尚未 有明晰的理论解释瞄】。低温下，随着温度的下降，平行于 方向的磁致伸 缩应变急剧减小；高温下，随着温度的升高，磁致伸缩应变也逐渐减小，直至 其居里点时磁致伸缩特性消失；而在室温下，特别是在0 8 0 。0 ，g m m 的磁致 伸缩应变系数九的变化并不明显( 如图2 - 9 ) ：而且在此温度范围内，特别是在 4 0 附近，g m m 的动态磁致伸缩应变系数d 3 3 达到最大值( 如图2 - 1 0 ) 。 因此，g m m 在0 - 8 0 。c 的范围内使用才能发挥其最佳性能。温度的影响与 g m m 内的t b 与d v 的比例也有关系，通过改变g m m 的化学成分可以改变其 温度特性。 激励磁场强度h ，k a * m 1 图2 一l o 不同温度下的动态磁致伸缩应变系数