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超磁致伸縮執(zhí)行器及其在流體控制元件中的應用
Dietmar Reinert, Emmanuelle Bruna and Eva Flasp?lera
aBG-Institute for Occupational Safety and Health (BGIA), Alte Heerstra?e 111, D-53757 Sankt Augustin, Germany
摘要：超磁致伸縮材料是一種新型的功能材料，在查閱大量文獻的基礎上，介紹了超磁致伸縮執(zhí)行器的原理和分類及其在流體控制元件中的應用研究現(xiàn)狀，并對超磁致伸縮執(zhí)行器在流體機械中的應用前景進行了展望。
關鍵詞: 超磁致伸縮 執(zhí)行器 流體控制元件
?0.引言
液壓伺服系統(tǒng)的性能主要取決于組成該系統(tǒng)的閥、泵和液壓馬達等流體控制元件的性能。因此提高流體控制元件的性能一直是人們努力的目標。傳統(tǒng)的流體控制元件主要采用電動機、電磁鐵作為驅動元件。近年來，隨著一些新型功能材料的出現(xiàn)，使大幅度提高流體控制元件的性能成為可能。超磁致伸縮材料就是一種新型的電（磁）─機械能轉換材料，具有在室溫下應變量λ大，能量密度高，響應速度快等特性，國外以將它應用于伺服閥、比例閥和微型泵等流體控制元件中，并取得了一些進展。本文就這方面情況做些介紹。
1.超磁致伸縮執(zhí)行器
1.1超磁致伸縮材料[1][2]
??? 超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material）有別于傳統(tǒng)的磁致伸縮材料（Fe、Co、Ni等），是指美國水面武器中心的Clark博士于70年代初首先發(fā)現(xiàn)的在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數(shù)的三元稀土鐵化合物，典型材料為TbxDy1-xFe2-y。式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般為0.27～0.35，y為0.1～0.05。這種三元稀土合金材料已實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，典型商品牌號為Terfenol-D(美國的Edge Technologies公司)或Magmek86(瑞典的Feredyn AB公司)，代表成分為Tb0.27Dy0.73Fe1.93。
與壓電材料（PZT）及傳統(tǒng)的磁致伸縮材料Ni、Co等相比，超磁致伸縮材料具有獨特的性能：在室溫下的應變值很大（1500～2000ppm），是鎳的40～50倍，是壓電陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是鎳的400～500倍，是壓電陶瓷的10～14倍；機電耦合系數(shù)大；響應速度快（達到μs級）；輸出力大，可達220～880N。由于超磁致伸縮材料的上述優(yōu)良性能，因而在許多領域尤其是在執(zhí)行器中的應用前景良好。
1.2超磁致伸縮執(zhí)行器
超磁致伸縮執(zhí)行器的結構簡單、位移大、輸出力強、易實現(xiàn)微型化、并可采用無線控制。超磁致伸縮執(zhí)行器按結構可分為以下三種類型：
1.2.1直接驅動型[3]
??? 這種超磁致伸縮執(zhí)行器主要采用棒狀超磁致伸縮合金直接驅動執(zhí)行器件，不采用放大機構，其一般結構如圖1所示。由于超磁致伸縮材料的抗壓強度遠遠大于其抗拉強度，因此采用預壓彈簧使其在一定的壓力下工作。圖中上下兩塊永久磁鐵用來提供一定的偏磁場，使超磁致伸縮棒在合適的線性范圍內(nèi)工作。這種超磁致伸縮執(zhí)行器的結構相對簡單、位移大、輸出力強，主要被應用于水聲換能器、新型馬達、微位移控制器和流體閥中。
1.2. 2位移（力）放大型[2]
? ??位移（力）放大型超磁致伸縮執(zhí)行器根據(jù)原理可分為杠桿放大式和液壓放大式兩種。杠桿放大式超磁致伸縮執(zhí)行器主要采用杠桿機構來得到較大的位移或力的輸出，還可以采用兩種類型的超磁致伸縮棒，即一根具有正的另一根具有負的磁致伸縮系數(shù)來獲得更好的效果。具體原理如圖2所示。液壓放大式超磁致伸縮執(zhí)行器主要應用了流體力學中的帕斯卡定律。
1.2.3薄膜型[4]
目前,在超磁致伸縮材料的應用領域出現(xiàn)了一個新的研究熱點—薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的開發(fā)與應用。下面是在微型流體控制元件中應用較多的薄膜式超磁致伸縮微執(zhí)行器的原理。
這類執(zhí)行器主要采用一些傳統(tǒng)的半導體工藝,在非磁性基片的上、下表面分別鍍上具有正、負磁致伸縮特性的薄膜材料，當外加磁場變化時，薄膜會產(chǎn)生變形，從而帶動基片偏轉和彎曲以達到驅動目的。 與通常的體磁致伸縮執(zhí)行器相比，薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器成本較低，并且由于薄膜中的二微磁彈性相互作用又使其具有一些新的功能，這對于超磁致伸縮材料的實際應用具有重要意義。
2. 超磁致伸縮執(zhí)行器在流體控制系統(tǒng)中的幾則應用實例
2.1燃料注入閥[5]
???? 瑞典一家公司將Terfenol-D用于燃料注入閥，并申請了專利。如圖4，它的原理是通過控制驅動線圈的電流，來驅動具有負磁致伸縮的棒，使得針閥提起或放下。這種設計，省去了機械部件的連接，可使燃料在注入過程中實現(xiàn)快速、高準確度的流動無級控制，優(yōu)化了燃燒過程，而且也為更快、更精確的計算機控制燃料系統(tǒng)甚至排氣系統(tǒng)提供了可能。
2.2直動式伺服閥[6]
伺服閥是一種變電器信號為液壓信號以實現(xiàn)流量或壓力控制的轉換裝置。常用的伺服閥的驅動部件主要是電磁鐵，圖5則是Urai采用超磁致伸縮驅動器而設計的一種新型伺服閥，它的原理是通過控制線圈中電流的大小使超磁致伸縮棒伸長或縮短，從而使閥心得開度變化，來對流量或壓力進行調(diào)節(jié)。伺服閥閥心的位移可通過位移傳感器反饋到控制系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)形成閉環(huán)。
超磁致伸縮直動式伺服閥的結構緊湊，精度高，響應速度比電液伺服閥快，其最大輸出流量達２L/min,頻寬可達６５０Hz(-3db)。
2.3流體驅動活塞[3]
? 當線圈通電后，超磁致伸縮棒伸長，從而推動大活塞運動，由流體力學中的帕斯卡定律，超磁致伸縮棒的伸長量被放大，放大倍數(shù)等于大活塞面積與小活塞面積的比值。反之,如果超磁致伸縮棒推動小活塞,那么輸出的力將被放大。
2.4薄膜型微型泵[7]
???? 目前，對微管道、微閥、微流量計、微泵等元件的微流量控制系統(tǒng)的研究已成為微型機電系統(tǒng)研究的熱點之一。而薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的的出現(xiàn)，又為微流體元件的驅動提供了一個新的方法。
微型泵的驅動部分采用了圓盤裝的薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器。當垂直于圓盤表面施加一個變化的磁場時，圓盤狀超磁致伸縮薄膜將上、下振動，當向上振動時，泵的入口打開，液體流入泵內(nèi)；當向下振動時，泵的出口打開，液體將以一定的壓力流出泵。
? 泵的流量可通過調(diào)整外磁場的頻率改變，當外磁場變化頻率為2KHz時，泵的輸出達10μl/min,當然，外部磁場的頻率不能太高，否則由于泄漏問題將會導致輸出壓力的下降。
這種微型泵的另一優(yōu)點是，可以采用非接觸式驅動，這使泵的結構和能源供給變得簡單。此外，超磁致伸縮執(zhí)行器還被應用于比例滑閥，微小衛(wèi)星推進器中的微閥門和墨水快速噴射打印頭的液滴注入器等流體控制器件中。
?3結束語
??? 超磁致伸縮執(zhí)行器應用于流體控制元件，可極大的提高它們的性能，這是因為超磁致伸縮執(zhí)行器具有相應速度快，輸出力大，耐污染并可在低磁場強度下動作等特性。
??? 目前，超磁致伸縮材料應用于流體器件的開發(fā)研究工作尚處于起步階段，但它們的應用已給流體控制技術注入了新的活力。作為一個稀土資源大國，我們應抓住這個機遇，迎接高新技術的挑戰(zhàn)。
參考文獻
[1]Brun and Reinert, 2004a Brun, E., Reinert, D., 2004a. Ergonomic design of user guides or: death in the engine plant. BIA-Report 8/2004, Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG), Sankt Augustin.
[2]Brun and Reinert, 2004b E. Brun and D. Reinert, Innovative operating instructions, Focus on BGIA’s Work, Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz – BGIA, Sankt Augustin (2004).
[3]European Committee for Standardization (CEN), 1991a European Committee for Standardization (CEN), 1991a. EN 292-1 Safety of machinery, Basic concepts, General principles for design: Part 1: basic terminology; methodology, Brussels.
[4]European Committee for Standardization (CEN), 1991b European Committee for Standardization (CEN), 1991b. EN 292-2 Safety of machinery, Basic concepts, General principles for design: Part 2: technical principles and specifications, Brussels.
[5]European Committee for Standardization (CEN), 2001 European Committee for Standardization (CEN), 2001. EN 62079 Preparation of instructions – structuring, content and presentation, Brussels.
[6]Fuller and Sulsky, 1995 J.K. Fuller and L.M. Sulsky, An examination of consumer advisement warning information embedded within written instructions; implications for memory and behaviour, Ergonomics 38 (1995), pp. 2238–2249.
[7]Ibielski, 1990 Erich Ibielski, Bedienungs-Anleitungen. Aufgabe auch für Werber – mit Sonder-Etat, Marketing Journal 23 (1990), pp. 56–61.