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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(yīng)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(xiàn)的基礎(chǔ)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(yīng)用研究現(xiàn)狀，并對(duì)超磁致伸縮執(zhí)行器在流體機(jī)械中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)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(dá)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(biāo)。傳統(tǒng)的流體控制元件主要采用電動(dòng)機(jī)、電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)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(jī)械能轉(zhuǎn)換材料，具有在室溫下應(yīng)變量λ大，能量密度高，響應(yīng)速度快等特性，國(guó)外以將它應(yīng)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(jìn)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(guó)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，典型商品牌號(hào)為Terfenol-D(美國(guó)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(dú)特的性能：在室溫下的應(yīng)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(jī)電耦合系數(shù)大；響應(yīng)速度快（達(dá)到μs級(jí)）；輸出力大，可達(dá)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(lǐng)域尤其是在執(zhí)行器中的應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、位移大、輸出力強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)微型化、并可采用無線控制。超磁致伸縮執(zhí)行器按結(jié)構(gòu)可分為以下三種類型：
1.2.1直接驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)執(zhí)行器件，不采用放大機(jī)構(gòu)，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于超磁致伸縮材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，因此采用預(yù)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(chǎng)，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(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、位移大、輸出力強(qiáng)，主要被應(yīng)用于水聲換能器、新型馬達(dá)、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(jī)構(gòu)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(fù)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(yīng)用了流體力學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)—薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的開發(fā)與應(yīng)用。下面是在微型流體控制元件中應(yīng)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(dǎo)體工藝,在非磁性基片的上、下表面分別鍍上具有正、負(fù)磁致伸縮特性的薄膜材料，當(dāng)外加磁場(chǎng)變化時(shí)，薄膜會(huì)產(chǎn)生變形，從而帶動(dòng)基片偏轉(zhuǎn)和彎曲以達(dá)到驅(qū)動(dòng)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(duì)于超磁致伸縮材料的實(shí)際應(yīng)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(yīng)用實(shí)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(qǐng)了專利。如圖4，它的原理是通過控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，來驅(qū)動(dòng)具有負(fù)磁致伸縮的棒，使得針閥提起或放下。這種設(shè)計(jì)，省去了機(jī)械部件的連接，可使燃料在注入過程中實(shí)現(xiàn)快速、高準(zhǔn)確度的流動(dòng)無級(jí)控制，優(yōu)化了燃燒過程，而且也為更快、更精確的計(jì)算機(jī)控制燃料系統(tǒng)甚至排氣系統(tǒng)提供了可能。
2.2直動(dòng)式伺服閥[6]
伺服閥是一種變電器信號(hào)為液壓信號(hào)以實(shí)現(xiàn)流量或壓力控制的轉(zhuǎn)換裝置。常用的伺服閥的驅(qū)動(dòng)部件主要是電磁鐵，圖5則是Urai采用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)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(zhǎng)或縮短，從而使閥心得開度變化，來對(duì)流量或壓力進(jìn)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(gè)系統(tǒng)形成閉環(huán)。
超磁致伸縮直動(dòng)式伺服閥的結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，響應(yīng)速度比電液伺服閥快，其最大輸出流量達(dá)２L/min,頻寬可達(dá)６５０Hz(-3db)。
2.3流體驅(qū)動(dòng)活塞[3]
? 當(dāng)線圈通電后，超磁致伸縮棒伸長(zhǎng)，從而推動(dòng)大活塞運(yùn)動(dòng)，由流體力學(xué)中的帕斯卡定律，超磁致伸縮棒的伸長(zhǎng)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(dòng)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(duì)微管道、微閥、微流量計(jì)、微泵等元件的微流量控制系統(tǒng)的研究已成為微型機(jī)電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)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(qū)動(dòng)提供了一個(gè)新的方法。
微型泵的驅(qū)動(dòng)部分采用了圓盤裝的薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器。當(dāng)垂直于圓盤表面施加一個(gè)變化的磁場(chǎng)時(shí)，圓盤狀超磁致伸縮薄膜將上、下振動(dòng)，當(dāng)向上振動(dòng)時(shí)，泵的入口打開，液體流入泵內(nèi)；當(dāng)向下振動(dòng)時(shí)，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(chǎng)的頻率改變，當(dāng)外磁場(chǎng)變化頻率為2KHz時(shí)，泵的輸出達(dá)10μl/min,當(dāng)然，外部磁場(chǎng)的頻率不能太高，否則由于泄漏問題將會(huì)導(dǎo)致輸出壓力的下降。
這種微型泵的另一優(yōu)點(diǎn)是，可以采用非接觸式驅(qū)動(dòng)，這使泵的結(jié)構(gòu)和能源供給變得簡(jiǎn)單。此外，超磁致伸縮執(zhí)行器還被應(yīng)用于比例滑閥，微小衛(wèi)星推進(jìn)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(jié)束語
??? 超磁致伸縮執(zhí)行器應(yīng)用于流體控制元件，可極大的提高它們的性能，這是因?yàn)槌胖律炜s執(zhí)行器具有相應(yīng)速度快，輸出力大，耐污染并可在低磁場(chǎng)強(qiáng)度下動(dòng)作等特性。
??? 目前，超磁致伸縮材料應(yīng)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(yīng)用已給流體控制技術(shù)注入了新的活力。作為一個(gè)稀土資源大國(guó)，我們應(yīng)抓住這個(gè)機(jī)遇，迎接高新技術(shù)的挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn)
[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.