超磁致伸縮執(zhí)行器在機(jī)電工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

發(fā)布時間：2016-06-12 16:52

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超磁致伸縮執(zhí)行器在機(jī)電工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀——郭東明　楊　興　賈振元等

為換能器材料,需要幾千伏的驅(qū)動高壓,尺寸大、頻帶窄,且不能在低頻下使用。而深海長距離目標(biāo)探測中需要低頻技術(shù),在低頻領(lǐng)域,超磁致伸縮材料的各項(xiàng)指標(biāo)(大的磁致伸縮量,低的楊式彈性模量,比一般金屬軟)均比傳統(tǒng)的有源材料做成的換能器好,因此,它最早由美國海軍部門應(yīng)用于低頻聲納系統(tǒng)中。

國際上最先使用的Terfenol-D換能器是一種內(nèi)方外圓形水下器件,叫方環(huán)換能器(見圖1)。驅(qū)動部分由4根<6.35mm×50mm的Terfenol-D棒組成,其共振頻率可達(dá)2kHz。這種類型的設(shè)計用于美國Gould公司和Rayfhlon公司的最早的商品水聽器中[5]。

日本學(xué)者Wakiwaka采用超磁致伸縮材料設(shè)計了聲納換能器。他采用8根<20mm×120mm的Terfenol-D棒作為振動源,并由上、下各一塊永久磁鐵提供一定的偏置磁場,以使超磁致伸縮棒工作在線性區(qū);調(diào)整預(yù)

圖1　超磁致伸縮材料方環(huán)換能器

圖2　超磁致伸縮執(zhí)行器截面圖

將超磁致伸縮材料固定在鏜刀桿的合適位置,當(dāng)周圍的磁場改變時,超磁致伸縮材料能相應(yīng)的伸長或縮短,從而使刀桿產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形。而磁場的變化可通過改變驅(qū)動線圈的電流來實(shí)現(xiàn)[11]。1.3　在流體機(jī)械中的應(yīng)用

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是流體控制閥類部件的關(guān)鍵部分,由于超磁致伸縮材料具有響應(yīng)速度快、輸出力大、并可在低磁場強(qiáng)度下工作等特性,采用超磁致伸縮材料的轉(zhuǎn)換器將極大的提高控制閥的性能。

瑞典一家公司將Terfenol-D用于燃料噴射閥,并申請了專利。圖3是通過控制驅(qū)動線圈的電流,來驅(qū)動具有負(fù)磁致伸縮的棒,使得針閥提起或放下。這個簡單的設(shè)計,可使燃料在噴射過程中實(shí)現(xiàn)快速、高準(zhǔn)確度的燃料流動無級控制,而且也為更快、更精確的計算機(jī)控制燃料系統(tǒng)甚至排氣系統(tǒng)提供了可能。

緊彈簧的變形量,可以對超磁致伸縮材料施加適

當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。理論上,此換能器機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)73%,聲源信號可達(dá)192dB[6]。

冶金部鋼鐵研究總院采用國產(chǎn)超磁致伸縮合金,研制出大功率低頻聲納。七一五研究所進(jìn)行了多邊形水聲換能器的研究[8]。1.2　在超精密加工中的應(yīng)用

隨著尖端科技的飛速發(fā)展,超精密加工技術(shù)成為當(dāng)今機(jī)械制造最重要的發(fā)展方向之一。目前,超精加工刀具主要采用電致伸縮微位移器做為驅(qū)動器,而電致伸縮微位移器的位移量和輸出功率相對較小,而且在機(jī)構(gòu)設(shè)計中必須采取有效措施,以防止沖擊力和高電壓驅(qū)動造成的短路問題,采用超磁致伸縮材料作為微位移器則可很好的解決上述問題。

圖2是日本江田.弘和Toshiba公司的Kobayashi設(shè)計的,裝備在大型光學(xué)金剛石車床上的微進(jìn)給裝置,此裝置采用了超磁致伸縮材料做為驅(qū)動器。系統(tǒng)中采用溫度控制器,使冷卻線圈的水溫度控制在0.01℃以內(nèi)。采用此執(zhí)行器的金剛石車床加工玻璃等硬脆材料的尺寸精度和表面粗糙度可控制在幾個納米以內(nèi)

[9,10][7]

圖3　具有超磁致伸縮控制元件的燃料噴射閥

超磁致伸縮材料還被應(yīng)用于直接作用的比例

閥和伺服閥。Goodfriend等采用超磁致伸縮執(zhí)行器改造了比例滑閥,在300Hz時閥芯位移達(dá)0.3mm;Urai等采用超磁致伸縮執(zhí)行器設(shè)計出了直動式伺服閥,其最大輸出流量達(dá)2L/min,頻帶寬650Hz[12]。

此外,這種材料應(yīng)用于高速閥、高壓泵、微型。

浙江大學(xué)利用超磁致伸縮材料的特性,開發(fā)

研制了活塞異型銷孔的制造系統(tǒng),成功解決了企

超磁致伸縮執(zhí)行器在機(jī)電工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀