GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀
引 言
GMM 在常溫下因磁化狀態(tài)的改變,其長度與體積將會(huì)隨之變化。也就是說,GMM 具有強(qiáng)大的磁致伸縮系數(shù),因其多為稀土構(gòu)筑,而又被稱為超磁致伸縮材料。GMM 材料具有較強(qiáng)的耐熱溫度性能,磁致伸縮性能極高,在普通室溫下, 就能保持較高的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換,且能量密度大、響應(yīng)速度快,是目前運(yùn)用在機(jī)械電子工程中非常重要的材料[1]。本文針對(duì) GMM 材料的性能、優(yōu)點(diǎn)及其在機(jī)械電子工程中的具體應(yīng)用展開分析,并就其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行探討。
1 GMM的性能特點(diǎn)與優(yōu)勢分析
1.1 GMM 概述
超磁致伸縮材料自身的尺寸會(huì)隨著外加磁場的變化而變化,磁致伸縮系數(shù)大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的磁致伸縮材料,這也正是其優(yōu)勢所在。早在 1971 年,美國海軍在進(jìn)行表面武器實(shí)驗(yàn)時(shí),在尋找磁致伸縮材料時(shí)發(fā)現(xiàn)了如TbFe2、DyFe2、SmFe2 等具有較高磁致伸縮系數(shù)性能的材料。并且根據(jù)美國海軍的相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出,這些材料需要較高的磁場來驅(qū)動(dòng),這樣一來就限制了材料的運(yùn)用。后來,他們通過研制一些新的合金材料發(fā)現(xiàn)其具有很高的居里溫度,而且還能提高其磁致伸縮性能, 并能被廣泛的應(yīng)用起來,至此,磁致伸縮材料得到了較大的關(guān)注。
1.2 GMM的特點(diǎn)
在室溫下,GMM 具有很高的機(jī)械能轉(zhuǎn)電能轉(zhuǎn)換率,且能量密度大、可靠性高、響應(yīng)速度快,能夠方便簡單進(jìn)行驅(qū)動(dòng) [2]。而正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)和優(yōu)勢,使得 GMM 在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注,同時(shí),也促進(jìn)了電子信息系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及振動(dòng)系統(tǒng)的改革。一方面,GMM 的磁致伸縮系數(shù)非常大,甚至比 Fe、Ni 等多種材料多出幾十倍,而且正是因?yàn)檫@樣的性質(zhì),使得超磁致伸縮材料迅速得到發(fā)展。另一方面,因超磁致伸縮材料的能量轉(zhuǎn)換高,甚至能夠達(dá)到 49% ~ 56%, 超越了壓電陶瓷 23% ~52% 的轉(zhuǎn)換率,所以GMM 更可以應(yīng)用于制造高能量轉(zhuǎn)換率的機(jī)電產(chǎn)品。
1.3 GMM的性能
相較于壓電材料與傳統(tǒng)磁致伸縮材料來講,GMM 有著巨大的優(yōu)勢。比如,在常溫下,GMM 磁致伸縮材料的伸縮應(yīng)變較大,甚至可以達(dá)到 Ni 的 40 ~50 倍,是壓電材料的 5 ~8 倍 ;其能量密度高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了 Ni 等材料的能量密度;同時(shí), GMM 還具有超快的反應(yīng)速度,可以在幾十毫秒以內(nèi)反應(yīng),有的甚至可以達(dá)到微秒級(jí);不僅如此,GMM 擁有強(qiáng)大的輸出力, 能夠帶動(dòng)高強(qiáng)度的荷載。除此之外,超磁致伸縮材料的磁機(jī)耦合系數(shù)較大,所以其電磁機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率也較高 ;不僅工作性能穩(wěn)定,居里點(diǎn)溫度高,而且在大功率的工作條件下, 也不會(huì)因器件過熱而導(dǎo)致磁致伸縮特性失效,而只需要進(jìn)行冷卻恢復(fù) [3]。最后,我們所知道的 GMM 材料工作頻帶寬,可以用于幾百赫茲以下的低頻但也同樣適用于超高頻。
2 GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 GMM 在液壓閥中的運(yùn)用
所謂液壓閥就是機(jī)械電子工程中液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)控制元件,專門用于控制系統(tǒng)流體、調(diào)節(jié)流動(dòng)壓力以及流量的。通常這種液壓閥中包括微型開關(guān)閥、比例閥以及單極電液伺服閥等環(huán)節(jié)都有使用超磁致伸縮材料。首先來說微型開關(guān)閥,其應(yīng)用原理主要是通過利用薄膜伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制閥的控制,當(dāng)外界磁場為 30 mT 時(shí),就是開關(guān)閥的最大開口量, 這樣一來就可以小小降低驅(qū)動(dòng)磁場。對(duì)于比例閥的使用主要是通過發(fā)揮磁致伸縮棒來實(shí)現(xiàn)輸出位對(duì)比例閥進(jìn)行控制,當(dāng)300 Hz時(shí)閥芯位達(dá)到 0.122 1 毫寸,最高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率就是5 kHz[4]。其次,對(duì)于單極電液伺服閥以采取閉環(huán)控制的措施,使其結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí),能夠達(dá)到較高的緊密度 ;GMM 運(yùn)用于擋板型伺服閥時(shí)會(huì)擴(kuò)大其壓力控制范圍,讓其擁有較高的反應(yīng)速度。
2.2 GMM 在液壓泵中的應(yīng)用
所謂磁致伸縮泵就是利用磁場強(qiáng)度在GMM 軸線上的分布,直接對(duì)液壓泵的活塞進(jìn)行驅(qū)動(dòng),以此來提高電磁機(jī)械的轉(zhuǎn)化效率,達(dá)到較高的效率。而目前,人類已經(jīng)退出類似于電池一樣密閉性較強(qiáng)的GMM 液壓泵,這種泵也要具有較高的精度控制流,當(dāng)外磁場變化頻率為 2 kHz 時(shí),可以將泵輸出流量提高到 10 L/min。不僅如此,很多國家已經(jīng)研制出了GMM 聲納換能器,能夠廣泛應(yīng)用于水下通信、跟蹤定位等方面,這些應(yīng)用都是 GMM 得到了巨大的推廣和發(fā)展。圖 1 所示為薄膜型磁致伸縮微型泵結(jié)構(gòu)示意圖[3]。
2.3 GMM 在蠕動(dòng)位移機(jī)械中的應(yīng)用
所謂蠕動(dòng)位移機(jī)械就是能夠進(jìn)行連續(xù)的步行運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)械,類似于蝴蝶幼蟲一樣能夠蠕動(dòng)。這種機(jī)械的步距最小為 4nm,運(yùn)動(dòng)速度也是毫秒級(jí)的,目前主要運(yùn)用于距離控制與機(jī)器人等方面。不僅如此,很多國外研究將其和壓電晶體結(jié)合,還設(shè)計(jì)出了諧振型的馬達(dá),工作頻率高達(dá) 300Hz,而在我國,蠕動(dòng)位移機(jī)械也已經(jīng)有了簡單結(jié)構(gòu)的成品,相信在未來, GMM運(yùn)用在蠕動(dòng)位移機(jī)械中還能發(fā)揮更大的作用。
2.4 GMM 在新型電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用
目前,對(duì)于應(yīng)用GMM 的新型電動(dòng)機(jī)主要成果包括直線電機(jī)、蠕動(dòng)電機(jī)以及Recherche 馬達(dá)[1]。一種超磁致伸縮直線電機(jī)能夠達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)化率,且繼承了所有超磁致伸縮材料的優(yōu)點(diǎn),擁有超快的響應(yīng)速度,可使用的溫度范圍廣。不僅如此,這種電機(jī)還不容易發(fā)生疲勞退化等現(xiàn)象,對(duì)于能源供應(yīng)的要求較低,適應(yīng)很多類型的工作。
3 GMM在機(jī)械電子工程中的未來發(fā)展前景
前面說到,關(guān)于超磁致伸縮材料也就是 GMM 的研究已經(jīng)有很長一段時(shí)間,并且有關(guān)于其新型功能周邊機(jī)械電子工程應(yīng)用的內(nèi)容也越來越多。因此,GMM 在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究逐漸成為了提高國家科技綜合競爭力和國際勢力的戰(zhàn)略性措施。由上文可知,GMM 有著高于傳統(tǒng)伸縮材料和壓電陶瓷環(huán)能材料的優(yōu)勢,是軍用、民用的高科技產(chǎn)品,具有非常大的價(jià)值和應(yīng)用前景,且市場不斷擴(kuò)大,市場需求不斷加強(qiáng)[5]。
超磁致伸縮材料在外磁場作用下長度和位移都會(huì)發(fā)生變化,因此具有一定的做功功能,而在交變磁場中,超磁致伸縮材料會(huì)發(fā)生反復(fù)伸縮,產(chǎn)生振動(dòng)或者聲波,電磁能借助這樣的聲波和振動(dòng)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或者聲能。相反地,也能通過振動(dòng)或者聲波將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能,以提高機(jī)械的轉(zhuǎn)化率, 完美運(yùn)用在機(jī)械電子工程中[4]。迄今為止,全球已經(jīng)有 1 000 多種 GMM 相關(guān)器件產(chǎn)生,涉及的范圍有航空航天、國防軍事、電子生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域,這不僅有利于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的提升, 更能提高國家的綜合實(shí)力。
最后,隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提升,人們對(duì)于 GMM 運(yùn)用在機(jī)械電子工程中的要求也逐漸提高。相信在不久的未來,GMM 運(yùn)用的領(lǐng)域會(huì)逐漸拓寬,其重要性也將逐漸突出。比如,我們可以將 GMM 運(yùn)用在電子工業(yè)或者高精度自動(dòng)控制行業(yè) ;在海洋工業(yè)對(duì)還留分布、海下地質(zhì)、地貌進(jìn)行探測 ;也可運(yùn)用于石油以及航空航天業(yè)。
4 結(jié) 語
綜上所述,作為近年來運(yùn)用在機(jī)械電子工程中的重要材料,超磁致伸縮材料的運(yùn)用得到了廣泛的關(guān)注,因其高度耐熱的性能和磁致伸縮性能,再加上能量密度大、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢,值得我們進(jìn)一步運(yùn)用在多種領(lǐng)域中。相信在未來,我們還能夠加快對(duì) GMM 的研究,將其運(yùn)用在多種領(lǐng)域,發(fā)展我國科技綜合實(shí)力,創(chuàng)造更多的利益和財(cái)富。