稀土超磁致伸缩电机及其应用.doc

唐苏亚(温州市开元电气有限公司, 浙江温州325028)摘 要: 稀土超磁致伸缩电机在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应以及高可靠性等方面有着其它电机无法比拟的优点。介绍了这种电机的结构原理、性能特点及其典型应用事例。文中还就稀土超磁致伸缩材料及其驱 动器件的市场应用前景进行了展望。关键词: 稀土; 磁致伸缩材料; 磁致伸缩电机中图分类号: TM 351文献标识码: A文章编号: 1001- 6848 (2004) 01- 0040- 03Ra re- ea r th U ltra - m a gn e to Te le scop ic M o tor an d its A pp l ica t ionTA N G Su - ya(W enzho u Ka iyuan E lec t r ic ity Co. L td. ,W enzho u 325028, C h ina)A bstrac t: R a re - ea r th u lt ra - m agne to te le scop ic m o to r h a s m o re ir rep laceab le m e r it s in m any f ie ld s th an o th e r s, such a s h igh st ra in, pow e rfu l, h igh pow e r den sity, h igh - p rec isio n, qu ick - re spo n se, h igh re liab ility, e tc. T h e st ruc2 tu re p r inc ip le, p e rfo rm ance fea tu re s and typ ica l app lica t io n in stance a re in t ro duced. T h e m a rk e t app lica t io n p ro sp ec t s o f ra re- ea r th u lt ra- m agne to te le scop ic m a te r ia l and th e m o to r d r ive dev ice s a re a lso p re sen ted in th is p ap e r.Key words: ra re- ea r th; m agne to te le scop ic m a te r ia l; m agne to te le scop ic m o to r要用于造纸机械设备等。目前, 这种电机广泛应用于自动操作器、机械手、机器人、大行程阀门操作器及 工具、造纸、塑料、金属加工的大行程精密定位系统及太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。1引言磁致伸缩材料在磁场作用下具有较强的磁致伸缩效应, 即它们在磁场的作用下, 长度或体积可以改 变。 因此, 它可以作为微型执行器材料, 也可以作为 应力或应变传感器材料。 稀土超磁致伸缩材料是国外 20 世 纪 80 年 代 中 期 开 发 的 新 型 功 能 材 料, 如T e rfeno l- D (T b 0. 27D y0. 73 F e2 ) , 它是由铽、镝稀土材 料和铁组成的合金, 其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高出 100 1 000 倍。此材料作为一种新型高 效磁 (电) 能机械 ( 声) 能转换材料, 性能远远优于压电陶瓷等其它材料。 以这种材料制成的磁致伸缩 电机, 在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速 响应和高可靠性方面是其它电机所无法比拟的。 因 此, 它的出现立即引起了高技术领域的关注, 成为一 种新型的执行器。 这种电机在 20 世纪 90 年代初首先 由 德 国 柏 林 技 术 大 学 精 密 工 程 系 L o th a rK ie sew e t te r 教授研制成功, 并于 1992 年进入小批 量生产, 主要用于涂层重 量 控 制, 其 出 力 达 1 000N 。之后, 该大学还与其它院校、厂商合作, 先后研制 成功出力为 5 000 N 、1 000 N 的磁致伸缩电机, 主2基本结构和工作原理图 1 给出了一种超磁致伸缩电机的基本结构。它由三部分组成: 一个大尺寸的 T e rfeno l- D 驱动棒; 固定驱动棒的定子管和用来产生磁场的线圈。T e rfeno l- D 驱动棒紧密配合装在定子管里, 其中 一头连在一结实的支撑结构上, 定子管外面绕有一组线圈, 用以产生交变磁场。工作原理是: 线圈通电后产生交变磁场。磁场从 定子管一端向另一端移动时, 使得 T e rfeno l- D 棒交替收缩、拉长并夹住自己, 从而在管内产生蚕形运动。 通过控制磁场来控制 T e rfeno l- D 棒的运动速 度、棒的力和位置。由于 T e rfeno l- D 棒在正反方向磁场中都是伸 长的, 故所产生的机械运动的输出频率是外加输入频率的 2 倍。 这个非线性可通过在棒上加上一个恒 定的偏置磁场来消除, 以获得最大的动态磁致伸缩在驱动线圈中加一个恒定电流来产生。可分为两类。4. 1位移累加电机英寸蠕动电机这 种 英 寸 蠕 动 电 机 是 C la rk A E 等 根 据 T e r2feno l- D 的“磁致伸缩跃变效应”设计制作的。英寸 蠕动电机的驱动棒两端各有一个闸片, 在交变磁场下, 位移累加成长程线性运动。 除线性驱动外, 还有 转动驱动和线性转动二重结构。 这种电机有几种 类型, 有无限的行程。高频英寸蠕动电机驱动棒为薄片叠层的 T e rfeno l- D , 它能用频率15 kH z 的高 频磁场驱动, 获得很高的运行速度。图 1 超磁致伸缩电机的基本结构稀土超磁致伸缩电机的性能特点稀土超磁致伸缩电机主要特点是大位移、强力、 大功率以及控制精密和响应快速, 同时, 稀土超磁致 伸缩电机还具有可靠性高、磁 (电) 机转换效率高、 频带宽、能源供应简单等优点。34. 2振子型电机振子型线性电机又称为弹性波电机, 如图 2 所示。它是将 T e rfeno l- D 棒紧密配合装在定子管里,用驱动线圈产生磁场。 磁场从管子一端向一另一端 移动时, 棒变细伸长区向相反方向移动。在磁场移 过区, 棒径恢复“自夹持”棒体, 保持已获得的位移。这种电机产生 1 000 N 驱动力, 精度达亚微米级, 极 限速度为 1 m s, 有几种行程, 质量较轻。 驱动棒受3. 1能量转换能力高因电机所采用的材料为稀土超磁致伸缩材料,该材料的应变和功率密度高于其它材料, 静场应变 饱和值达 1 500 10- 6 2 000 10- 6 , 在线性范围内也达到 1 000 10- 6 , 能量密度达 14 25kJ m 3 ,机电耦合系数达 0. 7 0. 8。力变化时发生的弹性模量变化使驱动频率改变, 从而自动调整运行速度, 在开路控制的条件下实现精确定位。振子型转动电机有两个垂直装配的 T e rfeno l-D 棒。这种电机有较高的扭矩, 而且可以超声驱动产 生高转速。3. 2可控性好稀 土超磁致伸缩电机响应速度极高 ( 1 s) ,性能重复性好, 定位精度一般为 10- 1 m , 最高可达 纳米级, 响应仅取决于驱动线圈的励磁时间, 一般小 于 1 m s, 最高达 10 s。3. 3可靠性高因电机采用稀土超磁致伸缩材料, 故不易发生疲劳退化, 偏磁场不随时间和温度改变, 居里温度T C 较高, 工作温度较宽。同时, 稀土超磁致伸缩电机 能在较低电压 (12 100 V ) 下工作, 故可靠性较高。3. 4运转能力好普 通 小 型 驱 动 器 的 速 度 较 低 和 行 程 较 小, 但T e rfeno l- D 线性电动机可获得 1 m s 的极限速度 和无限的行程。稀土超磁致伸缩电机的分类稀土超磁致伸缩驱动器向高速、大行程发展就 成为微型电动机。按驱动原理, 稀土超磁致伸缩电机4图 2稀土超磁致伸缩电机动作示意图 41 伸缩驱动器装入飞机引擎底座, 使机舱内噪声降低了 20 dB , 噪声水平与豪华汽车相当。此技术用于汽 车, 使振动减小了 30 dB。5 稀土超磁致伸缩电机的典型应用5. 1大功率低频发射声纳6前景展望制造稀土超磁致伸缩电机的关键是材料, 国外电磁波在液体和固体中因衰减过快而无法利用, 而声信号则是液体和固体进行探测、通讯、侦察 和遥控的主要媒介。发射和接收声信号的器件声纳, 其核心元件主要由磁致伸缩材料制成。 美国海军系统于 20 世纪 80 年代初即开始研制 T e rfeno l- D 水 下声纳, 它是稀土超磁致伸缩电机最早工业化应用。该环状水下声纳由 6 个单元组成, 每个单元由一个 磁致伸缩电机组成, 工作时用永磁体产生偏磁场, 用 线圈产生交变磁场, 随着磁场变化, 环便膨胀收缩, 将声波发射出去。在 20 世纪 80 年代中期已有商品 T e rfeno l- D 单晶棒 出售。 美国前沿技术 ( E dge T ech no lo q ie s) 公司1989 年开始生产稀土超磁致伸缩材料, 其商品牌号 就叫 T e rfeno l- D , 随后, 瑞典 F e redyn A B 公司也生产、销售稀土超磁致伸缩材料, 产品牌号为M ag2m eg 86。近 10 多年, 日本、俄罗斯、英国和澳大利亚 等国也相继研究开发出稀土超磁致伸缩材料, 并有少量产品销售。 据 L a r so n 研究表明, T e rfeno l- D在 1995 年 的 全 球 销 售 额 仅 为 0. 5 亿 美 元, 预 计2005 年将接近 3 亿美元。至 2005 年将达到 17 亿美 元。我国从 20 世纪 80 年代末开始对稀土超磁致伸 缩材料的研究, 并取得较大成就。武汉工业大学新材 料研究所和山东大学晶体材料研究所合作, 在国内率先制备出大尺寸、高性能、可用于实用化研究和应用的 T b 0. 27D y0. 73 F e1. 95 单晶材料, 该材料的性能接近 国内先进水平, 目前已利用这种材料研制出微位移驱动器、低频声纳换能器以及磁致伸缩式光电传感 器等产品。我国是一个稀土大国, 稀土藏量约占世界总矿藏量的 34, 稀土超磁致伸缩材料和执行器又 有着广阔的市场和应用前景, 因此, 研究和开发稀土 超磁致伸缩材料及其驱动器件, 不仅能促进我国高 新技术的发展, 获得巨大的经济效益和社会效益, 而 且对深入研究稀土元素的性质, 推动我国稀土事业的发展, 将产生深远的影响。5. 2精密定位装置稀土超磁致伸缩电机精密定位装置用于精密和超精密加工、精密仪器定位以及计算机磁头定位、光 通讯相调制、造纸、塑料和金属加工定尺、印刷制板 控制。在国外一些超精密机床上, 为了实现极微小位移和补偿, 稀土超磁致伸缩电机已广泛应用于这类 机床的微量进给机构中, 如微量进给刀架等。图 3 示出了为一采用稀土超磁致伸缩电机的微 进给装置。当线圈接通电源后, 形成交变磁场。采用T e rfeno l- D 材料制成的杆在磁场中会微微改变长 度, 推动或拉动移动部件, 实现微进给。 改变磁场强度, 可改变不同的微移动量。参考文献:图 3 微进给装置原理图杨大智. 智能材料和智能系统 M . 天津大学出版社,2000, 12.15. 3主动降噪减振系统2汪培德译. 弹性波电机 J .(1)