（机械电子工程专业论文）超磁致伸缩电—机械转换器研究及应用.pdf

浙江大学硕：l 学位论文 击应力传感器领域，扭力检测磁学领域，最后在热学领域，其应用研究领域的实 用器件也陆续有研究机构参与其中。 国外针对超磁致伸缩材料的研究很早就已经开始，其研究水平大大高于国 内，基于超磁致伸缩的基础及应用研究都已取得了很大的进展。不管是材料的制 备及工艺，还是应用器件研究，研究范围都十分广泛，相应取得研究成果也比较 多。 目前，国内外对稀土超磁致伸缩材料的研究，主要集中在以下三个方面：( 1 ) 通过调整材料的成分，以增加磁致伸缩应力常数；( 2 ) 通过工艺和技术手段，以 改善材料的组织状态，提高材料的物理机械性能：( 3 ) 大力加强应用研究，以扩 大这种新型功能材料的应用领域。另外，国外关于电( 磁) 一机械转换器方面，电 磁模型、机械模型以及电机耦合模型等的研究发展得也很快，有限元法、动态模 型、应力模型、人工神经网络技术等已使用到研究设计领域中，进一步完善了设 计与研究方法。 1 2 2g m m 应用研究概况1 6 5 4 6 1 由于超磁致伸缩材料的优良性能，利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应而展开 研究形成的各种器件不断涌现，应用范围也已逐渐广泛。诸如利用磁致伸缩材料 的逆磁致伸缩效应产生形变可获得非常精密的微米级位移控制。这种微位移控制 在精密仪器与精密机械、光学仪器、微电子技术、光纤技术以及生物工程等方面 都有重要的应用。磁致伸缩驱动器由于是建立在材料分子运动的基础上，其机械 响应为微秒级；另外，超磁致伸缩电一机械驱动器的激励为外部磁场，可以实现 无电缆驱动。 超磁致伸缩驱动器的另一个重要应用是产生直线和旋转运动的超声波马达， 它以超声波振动为动力源，通过接触摩擦转换能量，形成旋转或位移输出，具有 结构简单、高速低转矩等特点，在机器人、摄像机或照相机的自动变聚焦系统及 航天航空领域有良好的应用前景，也是近年来的研究热点之一。磁致伸缩频率控 制器件如滤波器、谐振器等是磁致伸缩的另一个大的应用领域。外加的交变磁场 通过磁致伸缩效应产生应变，而应变又通过逆磁致伸缩效应使磁致伸缩体磁化状 态改变，实现磁能和弹性能相互转换，形成振荡。利用超磁致伸缩体的这一特点， 笙二里堑丝 可以制造从音频到超音频中使用的各种滤波器、谐振器等，其体积要比同等性能 的电容一电感滤波器小得多，频率的稳定性也更好，对于电子系统的设计、调整 和维修来说，省去了大量的调整工作，却是其一大优点。 国内由于对稀土超磁致伸缩材料研究起步较晚，尽管对应用研究综述报导相 对较多，但对器件的相关应用研究、研制等开发相对落后。目前已有的研究成果 主要有：( 1 ) 水声换能器在多年对压电材料水声换能器研究的基础上，国内相 关单位$ l j f l j 稀土超磁致伸缩材料研制丌发了若干超声水声换能器，其中有圆柱 形、复合棒式和弯张形等。研究表明在超声领域，预应力为7 1 0m p a ，h = 2 0k a m ，即约为饱和值的l 3 时，可使器件有最大的功率输出。( 2 ) 力矩激励器国 内一单位利用美国e t r e m a 公司产品研制成能够产生激振力矩的振源装置，并对 该装置的动态特性进行了理论与实验测试，取得了一定的成效。( 3 ) 超声加工 国 内一机电类杂志首次发表了利用稀土超磁致伸缩材料加工活塞异形销孔的构思 与设计方案，但真正的试验还需要进一步的研究。 国内在材料的制备工艺方面已具有一定的实力，例如包头稀土研究总院制备 的超磁致伸缩材料，其性能已经赶上国外同类产品的性能。关于超磁致伸缩材料 的应用机理以及如何提高和改善材料性能、材料内 部结构及其相应的效应研究也正在各研究机构展 开，研究的局面正呈现越来越喜人的景象。在磁致 伸缩电一机械转换器方面的研究也取得了较大的发 展。例如我校机械系的机电所和生产工程研究所、 中科院声学研究所、北京冶金研究所、中科院上海 冶金研究所、包头稀土研究总院、大连理工大学、 图1 4g m m 方环换能器 河北工业大学、北京联合大学、北京航空航天大学、 辽宁工学院、哈尔滨工业大学等研究机构都进行了这方面的研究，并取得了一定 的研究成果。此外，特别是在声学领域关于声纳系统换能器的研究也开展得比较 好，许多研究成果已经进入试验实用阶段，如图1 4 所示的g m m 方环换能器目 前已用于声纳换声器当中，取得了较好的应用效果。稀土超磁致伸缩材料能实现 磁( 电) 能一机械能的高效转换，使做成的大功率磁致伸缩超声换能器性能大大提 高，较以前传统换能器已有明显改善。再比如中国北京声学研究所采用超磁致伸 7 浙江人学硕l 学位论文 缩换能器研制而成的声纳控制系统技术较为先进，投入使用已具备了较好的实用 效果。 总的来看，国内就关于磁致伸缩换能嚣的研究已经取得了一定的突破。在微 位移领域的研究也已经启动，微位移驱动器和微位移检测传感器等方面的研究正 在许多的研究机构开展，微位移驱动器和微位移传感器的研究有些已进入初步实 用阶段。在磁致伸缩材料的应用研究方面，具体涉及到关于流体传动及控制应用 研究的机构目前还不多，我校的机电所、生产工程研究所分别就磁致伸缩驱动的 气动伺服阀和电磁阀进行了研究，并取得了初步的研究成果，为进一步在电液伺 服方面的研究积累了一定的经验。在微位移驱动器的研究方面，如哈尔滨工业大 学等研究机构采用超磁致伸缩材料研制的微位移驱动器系统具有分辨力高、移动 范围大、输出力大的特点，解决了以前压电驱动器及电致伸缩驱动器的不足，为 进一步研究作了许多的探索。 目前，通过给磁致伸缩材料提供一个偏置磁场和预应力，使其在实际应用中 磁致伸缩的动态应变可达3 5 1 0 ，利用此特性可以制成超磁致伸缩传感器。 磁致伸缩传感器用来检测微弱的机械振动并将其转化为电信号。通常，磁致伸缩 传感器所检测的信号正是磁致伸缩换能器发出的反射信号。在相当多的情况下， 磁致伸缩换能器和磁致伸缩传感器是同一器件，按照时间分割原理进行工作。在 水下的声波传感器称为水听器，是声纳系统的重要部件。高灵敏度的水听器可大 大提高声纳系统的探测能力，在低频领域磁致伸缩水听器的性能优于压电陶瓷水 听器，成为近年来在传感器方面的重要成果。超磁致伸缩换能器能够把大功率的 电能转化为很强的超声波振动，因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的 性质和状态，如超声清洗、钻孔、粉碎和超声切割加工等；也可以利用磁致伸缩 换能器发射大功率的超声波，用于金属探伤、水下物体探测等。目前磁致伸缩传 感器的应用范围十分广泛，它成功的主要原因是操作简单、高精度及可靠设计等 优点。至于安装方面。它并不需要特别的调试和标定。此外，由于其非接触式的 工作原理，因此磨损小，寿命长，且适应于恶劣环境。近年来，磁致伸缩位移传 感器，无论在器件的精度上、性能上都有了很大的提高。同时，根据不同的应用 领域，输出接口也可以更多样化，增加了一些信号处理、修正电路，使得超磁致 伸缩传感器的应用研究更为完善。 第一章绪论 此外，应用于流体传动及控制系统的超磁致伸缩转换器器件目前也研究得如 火如荼，诸如g m m 直动伺服阀，g m m 气动喷嘴挡板阀，g m m 小型流体泵， g m m 比例控制阀等等使用新型器件正不断被开发和应用起来，为流体传动及控 制系统提供了更大的发展空间。g m a 在电液伺服控制系统中的应用研究。由于 电液伺服控制系统是控制领域中的一个重要组成部分。流体作为动力传输和控制 的介质，具有响应速度快、功率重量比值大及抗负载刚度大的特点，因此在军事 工业和民用工业等方面g m m 都有很强的竞争力。 g m m 比例阀基于g m m 的良好综合性能，目前在流体传动与控制领域的 应用研究也已取得了一定的进展，将g m m 用于新型流体传动及控制元件的开发 的主要出发点是期望充分利用超磁致伸缩材料的快速响应特性及其具有很强的 带载控制能力。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例滑 阀，在3 0 0 h z 时该阎阀芯位移达o 0 1 2 2 英寸，其最高驱动信号频率可达5 k h z ， 如图1 5 所示为该比例阀的结构示意图，其直接利用超磁致伸缩棒的输出位移对 1g m m 棒2 线圈3 永久磁铁4 阀芯5 预紧弹簧 6 阀体7 极靴 图1 5 采用g m m 的比例阀 比例阀进行控制。 g m m 直动伺服阙1 9 1 1 另外，t a k a h i r ou r a i 等用g m m 转换器研制了直动型 伺服阀，其结构原理图见图1 6 ，该伺服阀采用闭环控制，可获得较好的控制特 性，其最大额定流量为2 l m i n ，阶跃响应小于i m s ，- - 3 d b 频宽为6 5 0 h z 。此外， 利用研制的g m a 作为驱动元件的气动喷嘴一挡板压力阀结构如图1 6 所示。其 中，g m a 输出杆用作挡板，与喷嘴配合组成可控阻尼；采用m o t o r o l a 公司 生产的硅压力传感器( 额定工作压力为0 4 m p a ，最高工作压力可达0 7 m p a ) 检 测控制腔压力，并把压力信号反馈到输入端，利用该信号可形成压力闭环控制： 微型节流阀作为进气气阻，调节该节流阀可改变喷嘴一挡板阀的压力控审9 特性。 浙江大学硕士学位论文 阀的供气压力利用精密减压阀调节，保证其尽可能地稳定。其性能指标见表1 2 ， 实验证明其压力闭环特性优良，阶跃响应上升时间小于2 0 m s ，不足之处是由于 磁致伸缩的伸缩输出位移不够大，导致挡板可控位移偏小，压力控制范围较小 6 4 , 8 4 。 i 预偏压压力油口2 阍：占3 磁致伸缩棒 4 线圈5 调节螺钉6 骨架7 阀体8 位移传感器 图1 6g m m 直动式伺服阀 表1 2g m m 伺服阀的性能指标 阀芯行程 约5 0 b o n 额定流量 磁滞 分辨率 线性度 阶跃响应 频率响应 额定电压 约2 0 l m i n 02 0 1 约 2 约l m s 1 0 0 输入 约6 3 0 h z - 3 d b o 4 v g m a 气动喷嘴一挡板阀0 3 3 i 利用g m m 电一机械转换器作为驱动器的气动 喷嘴一挡板压力控制阀结构原理如图1 7 所示，在图1 7 中，供气压力由精密减 压阀设定，控制腔进气量由节流阀调节。压力传感器与控制腔紧密相连，可减小 控制腔体积，提高压力灵敏度，并把压力信号反馈到输入端，形成压力闭环控制。 g m m 电一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 l i l 一一 p c 震 。蕊孤t 寸p i d一 。 i 图1 7g m a 驱动的气动喷嘴一挡板压力阀结构原理图 间距d 随之改变，从而改变控制腔的压力。试验表明，采用g m m 电一机械转换 器驱动的气动喷嘴一挡板压力控制阀进行压力闭环控制可取得较宽的压力控制 范围，并具有良好的线性度和较快的压力响应时间( 小于2 0 m s ) ，利用g m m 及 应用器件开展在流体传动及控制中的应用研究是实际可行的【”。 第一章绪论 g m a 微小流体泵流体泵是液压传动和控制系统的动力装置，其性能好坏 直接影响系统的整体性能。传统的流体泵常采用电动机驱动，近年来，以新型功 能材料为基础的执行器研制开发，使 大幅度提高流体元件的性能和实现 微型化成为可能。超磁致伸缩材料具 有性能优异，非接触式驱动和易于微 型化等特点。近几年，国外已开发出 利用g m m 执行器驱动的新型高性 能流体泵，即在柱塞式流体泵上利用 g m m 执行器直接驱动活塞，现已制 端盖2 线圈3 外壳4 预压弹簧 5 泵工作腔6 隔板7 g m m 棒 圈1 7g m m 小型液压泵结构原理 高压 c = = o = = = 3 底压 成形似一节电池那样的密闭型g m m 泵。例如，日本住友轻金属工业公司研制的 g m m 泵具有响应快和高精度控制流量等优点。由直动型g m m 执行器驱动的小 表1 3g m m 流体泵主要性能参数 最高输出压力4 2 m f a 最大驱动电流6 a 驱动电流频率 1 - 1 0 0 h z g 删棒长 16 c m g m m 棒直径 3 c m 隔板厚度 1 2 5 m m 隔板内径4 4 c m 隔板外径7 2 c m 预压弹簧刚度 3 0 0 0 n e m 型流体泵结构如图1 8 所示。流体泵工作 腔由隔板6 和外壳3 的一部分组成，工作 腔分别通过出口和入口单向阀与外部相 连。当驱动线圈2 的电流增大时，g m m 棒7 产生输出位移，工作腔容积减小，压 力升高，通过出口单向阀排液；同理当驱 动线圈2 的电流减小时，工作腔容积增大， 压力降低，通过入口单向阀吸液。其最高 输出压力可达4 2 m p a ，最大驱动电流为6 a 由直动型g m m 执行器驱动的小型流体泵 结构如图所示。流体泵工作腔由隔板6 和 外壳3 的一部分组成，工作腔分别通过出口和入口单向阀与外部相连。当驱动线 圈2 的电流增大时，g m m 棒7 产生输出位移，工作腔容积减小，压力升高，通 过出口单向阀排液；同理当驱动线圈2 的电流减小时，工作腔容积增大，压力降 低，通过入口单向阀吸液，其相应主要性能参数如表1 - 3 所示1 5 6 】。 基于g m m 的各种应用研究正在如火如荼地进行，其研究的范围也在不断扩 大，研究的实用流体传动及控制器件逐渐出现，相信过不了多久g m m 相关器件 浙江大学硕，i ：学位论文 的研究会呈现一片繁荣景象。 另外，基于超磁致伸缩材料的其它研究也正在各研究机构展开，关于磁致伸 缩材料的机电耦合特性以及相关的数值计算研究如有限元分析、动态特性等也在 进行当中，其研究的范围正不断扩大和深入，为下一步的大规模研究奠定了较为 扎实的基础。 综观国内近十年在稀土超磁致伸缩材料的研究成果，呈现以下特点：( 1 ) 起 步虽晚但发展较快。材料的冶金特性与制备工艺方法研究较多，虽然仍然存在一 些尚需研究与完善的课题，加工生产出的材料性能方面不及国外产品且不太稳 定，但某些方面研究较为深入，已具备批量工业化生产能力，有些已达到了国际 先进水平。( 2 ) 理论研究落后于实验研究。在材料的试验制备与性能测定等方面 作了许多有益的工作，但在材料性能的微观机理与测试方法等基础理论研究方面 不够深入，加工材料的磁弹性固体力学理论研究尚未开展。( 3 ) 材料应用研究落 后于制备及特性研究。实际应用尚处于起步阶段，在许多领域几乎是空白。有关 应用的综述文章较多，但大多为介绍国外发展状况或仅局限于提出某一应用器件 的设计构思，绝少以实际研制的可用器件面世。在应用研究方面远远落后于国际 先进水平，与我国作为稀土资源大国的地位、与稀土在科技与国民经济中应起的 作用及其国际激烈竞争形势很不适应。( 4 ) 科研人员学科构成范围较窄，没有形 成多学科协作攻关与开发的局面。目前研究人员主要集中在材料冶金学科和少数 应用领域学科等相关的磁电声学、机械加工、动态测试、精密机械、自动控制等 众多领域，其他科技人员特别是企业界人士尚不够了解、重视不足，参与研究开 发的热情不够。在超磁致伸缩领域想真正有所起色，还需很长的路要走。 特别是近年来，随着g m m 的不断开发应用，随看g m m 生产技术的不断完 善和突破，原材料成本的降低，使得此材料的国际市场价格大幅度降低，已形成 了代替压电陶瓷( 电致伸缩材料) 的强大势头。 国外针对超磁致伸缩材料的研究很早就已经开始，其研究水平大大高于国 内。由于超磁致伸缩材料的应用面非常广，8 0 年代以来美国每年有8 0 一9 0 项有 关此材料器件应用的专利，目前己开发了1 0 0 0 多种应用器件，应用面涉及到航 空航天、国防军工、电子工业、机械工业、石油工业、纺织工业、农业和民用。 这些应用大大促进了相关产业的技术进步，例如大功率g m m 换能器对油井处 第一章绪论 理，可降低石油粘度，改善流动特性，大大提高石油产量。在超大规模集成电路 的制作上，使用该材料制作精密定位系统，使集成电路成几十倍增加，体积大大 缩小，对电子工业将产生深刻的影响。在科技发展日新月异的新世纪，g m m 的 重要性将越来越突出、应用会迅速扩大。 美国e t r e m a 生产了一系列准静态应用的线性驱动器：其中5 0 6 m p 系列的磁 致伸缩棒长5 0 m m ，直径6 m m ，线性驱动器的偏置磁场约4 0 k a m ，预应力小于 2 0 m p a 撮大静态应变为5 0 0 1 0 一，最大动态应变为1 0 0 0 1 0 ，最大位移为 2 5 u m 。三种线性驱动器在最佳负载下的最大消耗能量密度为1 0 1 2 k j m ，这个 值比压电陶瓷的值高5 一l o 倍。这表明上述三种线性驱动器消耗在最佳负载上的 能量为o 4 j ，亦意味着1 k h z 时输出到最佳负载上的功率为2 5 k w 。据文献介绍， 由v r a n i s h 研制的g m m 旋转步进马达，最大力矩为1 2 2 n m ，速度极限为 0 5 r m i n ，角度分辨力优于8 0 0 u m d 。另外，美国海军研制的基于超磁致伸缩水听 器的高级声纳系统，尺寸及重量仅为基于压电陶瓷水听器声纳系统的1 3 ，而超 声波的输出功率更高。 此外，在声学声纳领域、蠕动机械、微位移执行器1 5 5 1 、微位移驱动器、微位 移传感器、超磁致伸缩薄膜应用、流体传动及 控制元件应用等方面的研究都有不同程度的研 究成果出现。特别是近年来，随着信息技术的 快速发展，为超磁致伸缩材料器件的应用研究 提供了新的发展机遇，大大促进了其研究速度 与水平的提高。国外应用于流体传动及控制方 面的实用研究如直动式伺服阀、燃料注入阀、 流体驱动活塞、薄膜型微型泵、微型马达等研 究也开展得较好，发展速度也较快，为推动微 图1 9 燃料喷射阀 机械系统、电液伺服控制系统的发展作出了很大的贡献。如图1 9 所示瑞典一家 公司研究的燃料喷射阀，其好处是省去了机械部件的连接，实现快速、高准确度 的流动和无级控制，优化了燃烧过程，而且为更快、更精确的计算机控制燃料系 统提供了可能。再如u r a i 公司采用超磁致伸缩驱动设计的一种新型伺服阀，具 有结构紧凑、精度高、响应速度快的特点。但这些阀的设计并未采用放大装置， 浙江火学硕! ：学位论文 所以其输出的流量较小，限制了它们的应用范围。研究具有放大功能的大流量的 流体伺服元件可以扩大其应用领域，才能更好地促进超磁致伸缩材料在流体传动 及控制方面的发展。 作为超磁致伸缩材料深入研究的超磁致伸缩薄膜材料( g m m ) 由于具有应 变大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力大等优良的性能特 点，已经被广泛用于微机电系统当中，发挥着越来越重要的作用，相关研究越 来越引人注目。国内外基于超磁致伸缩薄膜的研究正在如火如荼地进行。目前 已有许多基于超磁致伸缩薄膜的器件如g m m 微执行器、g m m 薄膜微型泵、 g m m 微型阀、g m m 微型马达、微型流量计、微传感器等应用于微机电系统中， 为微机电系统的发展开辟了一条新途径。 g m m 微执行器1 2 2 , 2 9 , 5 5 , 1 0 2 i 超磁致伸缩薄膜微执行器是一种有效的微驱动 装置，随着机电系统的微型化和集成化的发展，作为能解决能源问题的微驱动元 件，在微机电系统的控制中越来越发挥其重要的作 用。超磁致伸缩薄膜执行器简单结构原理图( 如图 1 1 0 ) 所示，基工作原理是在基片两侧分别镀上超磁 致伸缩薄膜，通过控制外加磁场的方向和大小就可 达到驱动的目的。超磁致伸缩微位移驱动器由超磁 幽 3 g m m 薄膜 图1 1 0o m m 微执行器原理图 致伸缩棒( t e r f e n o l - - d ) 、轭铁、驱动用螺线管线圈、预压装置和用作产生偏置磁 场的永磁铁构成。其工作原理为：由永久磁铁产生偏置磁场，使驱动器工作在良 好的线性段之内；驱动线圈内通过直流电流，产生驱动磁场，改变驱动电流的大 小，从而改变驱动磁场的大小，使磁致伸缩棒长度发生变化。驱动磁场及偏置磁 场都通过轭铁构成回路，以提高驱动效率。目前研制的超磁致伸缩微位移驱动器 的位移分辨力优于l n m ，位移范围可以达到4 0 u m 以上，另外还可利用计算机对 驱动器进行修正，进一步改善驱动器的性能，提高线性，降低磁滞。 基于超磁致伸缩薄膜的微型器件器研究范围正越来越广，为微机械领域迎来 了新的发展机遇，从而为微机电控制系统的研究与开发注入了新的活力。超磁致 伸缩薄膜材料在磁场作用下产生的磁致伸缩效应，具有输出力大、小、移动范围 大等特点，同时由其构成的微位移驱动器结构简单。将超磁致伸缩薄膜材料引入 微位移驱动器中，将在超精密机床、精密仪器及精密光学机械等领域有着广阔的 l4 第一章绪论 应用前景。 g m m 微型泵i “i 如图1 1 1 为超磁致伸缩薄膜微型泵的结构原理图，微型 泵的驱动部分采用了圆盘状的超磁 致伸缩薄膜微执行器。当垂直于圆 盘表面施加一个变化的磁场时，圆 盘状超磁致伸缩薄膜将上、下振动， 当向上振动时，泵的入口打开，液 图i 1 1 超磁致伸缩薄膜微型泵原理图 体流入泵内；当向下振动时，泵的出口打开，液体将以一定的压力流出泵。泵的 流量可通过调整外加磁场的频率改变。试验表明当外加磁场变化频率为2 k h z 时， 泵的最大流量可达1 0ul r a i n ，输出压力能达到l m b a r 。这种微型泵采用非接触 式驱动，可使泵的结构研制和能源供给变得更为简单。 g m m 薄膜微型阀图1 1 2 为德国e q t a n d t 等入研制的一种悬臂梁式超磁致 伸缩薄膜微型阀，其利用薄膜的伸缩效应就可实现阀的工作。当阀门关闭时，通 h 阀开 e a 向截面圈 图1 1 2 悬臂梁式磁致伸缩微型阀 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。 g m m 薄膜微型马达p 2 】超磁致伸缩薄膜线性超声微型马达的结构原理如 图1 。1 3 所示。超磁致伸缩薄膜线性超声微型马达由s i ( 1 0 0 ) 硅基片和具有正磁致 伸缩效应的t b f e 薄膜制成，t b f e 薄膜厚约1 3pm 。当偏磁场大小为3 0m t 时，在电磁线圈上外加一频率约7 5 0h z ，大小为1 5 r o t 的激励电磁场时，可使这 激汪天学颟 学垃瓷文 图1 t 3 超磁致伸缩微型马达 葶孛线性马达豹步进速度可这3 m m s 。 这种微型马达艇有超磁致伸缩薄膜应 交大，攘率稳嫩快，澎矮墨夸，驱裁 磁场低样优点，并可实现无接触控制， 缺点憝由于磁场要求翻作徽螫线瑟毒 一定难度。这幂中g m m 微型马达可用 于医疗器械、微机器入等领域。 综上可知，越磁致馋缩微执行器具鸯以下特点：( 1 ) 越有位移范围大，位移 分辨力高的特点；( 2 ) 驱动器结构简单，。随为刚性结构，不存在蠕变及漂移。超 磁致彳枣缎耪趱雩；入鏊| 擞楚穆驱动嚣中，将援太提凑微位移驱魂系统魏炷黪指标， 并将进一步推动精密及超精密加工领域的发展。 总之，基于磁致 牵缭奉季辩静备释基磊蠡及应焉开发研究蕉在整赛范围垂蓬勃发 展。通过研究进一步弄清楚磁致伸缩的微观机理，以期得到性能觅优的磁敞伸缩 功能材料；深入研究材料微观组织结构和机械性能之间的荧系，寻求改善材料物 理机械性能的瓤办法、新愚路；不断尝试有效的孝葶料制备工艺，研制相应的制造 设备，降低成本，加强有篾器件的实用性研究，实现新型超磁致伸缩材料的商品 豫生产；通过调熬耪辩载域分，坟增热磁皴弹缱玻力零数；逶遘挽促工艺提寒耪 料的稳定性，从而改善器件的性能，以扩大这种新型功自材料的旋用范围等等， 歪戏麓瑟毽纪各瓣磅究者豹深蘧。蓬着薪技术豹不获发震，基予越磁致律缩豹磷 究必将迎来新的春天。 1 3 选题意义及研究内容 1 3 1 选蹶潜义 。 我国稀土资源十分丰富，储藏量位屠世界第，1 9 9 9 年我霞粗稀土念金材 料产量为6 ，l 万吨，占世界粗臻会金材皋辜8 8 万蟪，占想产量6 9 ，在糖缮土 行业中占膳主导地位。研究基于超磁致伸缩的器件及应用鼠有良好的原料优势和 广耀懿发鼹窆瓣。嚣兹国疼兹萋磔磺究已蠢了较大麴送震，各建毅辩骚蕊擒在这 方面的研究也取得了一定的成果，积累了些经验，为下步研究奠定了憋实的 鏊疆t 毽鬣两藏鸯美稀磁凌靛奉孝餐 及其巍躅豹磷究仍钌处子莛多玲羧，蠢待子 第一章绪论 国内研究者奋起直追。 目前国内就超磁致伸缩材料的研究主要是针对材料的基本性能及制备、声纳 系统、电一机械转换器结构研制及耦合模型等基础研究，另外微位移驱动器与执 行器、微位移传感器等方面的研究也取得了一些进展，例如我校机械系的机电所 和生产工程研究所、中科院上海冶金研究所、包头稀土研究总院、大连理工大学、 哈尔滨工业大学等科研机构进行了这方面的一些研究，已取得了一些研究成果。 但总的来看，涉及到的还是一些基础方面的研究，关于流体传动与控制方面的实 用器件研究相对来说还比较少，特别是涉足电液伺服控制方面的研究还刚刚起 步，不利于超磁致伸缩这种新型功能材料的推广应用，开展具体而实用的研究很 有必要，发展到生产实用阶段还有待于广大科技工作者进行进一步的研究。 国外针对超磁致伸缩材料的基本性能及应用研究进行得较早，特别近年来随 着计算机技术的发展，运用先进软件技术进行动态模拟与仿真对其进行研究，已 经取得了很大的进展，许多应用技术已经比较成熟，有些已经开始进入实际应用 阶段，取得了良好的经济效益。在微机械领域关于超磁致伸缩的微执行器研究， 超磁致薄膜伸缩材料在流体传动及控制中的应用研究，也进行了许多有益的尝 试，其研究的器件可广泛用于航空航天、机器人、电液伺服系统、蠕动机械等各 个领域。例如日本针对超磁致伸缩方面的研究已经有许多技术比较成熟，用于电 液伺服系统的应用器件如新型伺服阀研究也已取得了一定的成果，研究的g m m 直动伺服阀等已具有较好的实用性能。 另外，美国、德国、瑞典、法国、日本等欧美日国家在这方面也进行了许多 的基础和实用研究。如燃料注入阀、燃料喷射阀、g m m 直动伺服阀等的研究成