超磁致伸縮作動(dòng)器的研究動(dòng)態(tài)

超磁致伸縮作動(dòng)器的研究動(dòng)態(tài)

1.超磁膨脹材料的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1稀土超磁致伸材料磁速擴(kuò)張材料主要有三種類(lèi)型：磁速膨脹材料、鐵氧體磁速膨脹材料和稀土金屬金屬間化合物磁速膨脹材料。前兩種稱(chēng)為傳統(tǒng)磁致伸縮材料,其磁致伸縮應(yīng)變過(guò)小,沒(méi)有推廣應(yīng)用價(jià)值。而稀土金屬間化合物磁致伸縮材料也稱(chēng)為稀土超磁致伸縮材料。與其他智能材料相比,稀土超磁致伸縮材料具有以下特點(diǎn):應(yīng)力負(fù)載大(可達(dá)700MPa)、能量轉(zhuǎn)換率高(機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)0.75)、溫度適應(yīng)范圍寬(小于200℃)、響應(yīng)快(微秒級(jí))、驅(qū)動(dòng)電壓低(小于30V)等。另外具有頻率特性好,工作頻帶寬;穩(wěn)定性好,無(wú)疲勞,無(wú)過(guò)熱失效等優(yōu)點(diǎn)。因此有專(zhuān)家認(rèn)為,稀土超磁致伸縮材料可廣泛應(yīng)用到機(jī)械、電子、航天、農(nóng)業(yè)等其他領(lǐng)域,是21世紀(jì)的戰(zhàn)略材料。1.2超聲材料的應(yīng)用迄今已有1000多種超磁致伸縮材料器件問(wèn)世,應(yīng)用面涉及航空航天、國(guó)防軍工、電子、機(jī)械、石油、紡織、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域,大大促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術(shù)方面也有廣闊的應(yīng)用前景,國(guó)外已用超磁致伸縮材料來(lái)制造出超大功率的超聲波換能器。日本已用稀土超磁致伸縮材料來(lái)制造海洋聲學(xué)斷層分析系統(tǒng)和海洋氣候聲學(xué)溫度測(cè)量系統(tǒng)的水聲發(fā)射換能器,可用于測(cè)量海水溫度和海流的分布圖。德國(guó)材料研究所已將超磁致伸縮薄膜材料應(yīng)用于微型泵的研究之中。隨科技發(fā)展的日新月異,超磁致伸縮材料的重要性必將越來(lái)越突出,應(yīng)用也將更廣泛。預(yù)計(jì)未來(lái)超磁致伸縮材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、超精密機(jī)械加工、海洋工程、汽車(chē)制造、石油產(chǎn)業(yè)等。1.3超磁致撕裂材料的研究在國(guó)內(nèi),北京鋼鐵研究總院于1991年率先制備出GMM棒材,此后又開(kāi)展了低頻水聲換能器、光纖電流檢測(cè)、大功率超聲焊接換能器等的研究。北京科技大學(xué)采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一步法工藝和設(shè)備生產(chǎn)稀土超磁致伸縮材料,減少了過(guò)程污染,雜質(zhì)和氧含量低,合金成分控制準(zhǔn)確,提高了材料的性能和產(chǎn)品的一致性;同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)工藝提高了100-150倍,成本大大降低。稀土冶金及功能材料國(guó)家工程研究中心研究的材料水平已接近國(guó)際先進(jìn)水平并可小批量生產(chǎn),另外還開(kāi)發(fā)了廉價(jià)Terfenol-D生產(chǎn)亦達(dá)到實(shí)用水平。研究開(kāi)發(fā)的大功率換能器及電磁閥取得初步結(jié)果。北京工商大學(xué)把超磁致伸縮材料用于電機(jī)技術(shù),研制了超磁致伸縮諧波電機(jī)。劉福貴等對(duì)超磁致伸縮力傳感器進(jìn)行了研究,建立了磁致伸縮力傳感器輸入輸出關(guān)系的磁-機(jī)械強(qiáng)耦合模型,測(cè)試了超磁致伸縮棒材的磁致伸縮逆效應(yīng)特性,設(shè)計(jì)了超磁致伸縮力傳感器的結(jié)構(gòu),研制并制作了超磁致伸縮壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置,對(duì)超磁致伸縮力傳感器的輸入-輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。李國(guó)平等為減少車(chē)削過(guò)程中車(chē)刀產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)工件加工精度的影響,開(kāi)發(fā)了一種車(chē)削振動(dòng)控制系統(tǒng)。研究了超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)和專(zhuān)用刀架的工作原理,并分別建立了它們的傳遞函數(shù)模型。根據(jù)人工免疫原理,設(shè)計(jì)了一種免疫PID控制器,并在數(shù)控(CNC)車(chē)床上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果證明該系統(tǒng)能很好地抑制車(chē)削加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)干擾。李小鵬等針對(duì)汽車(chē)減震問(wèn)題展開(kāi)研究,綜合考慮了汽車(chē)車(chē)身的固有振動(dòng)特性,提出并設(shè)計(jì)了基于超磁致原理的汽車(chē)用磁控懸架方案,突破了以往汽車(chē)減振的工作模式,將超磁致伸縮材料同汽車(chē)工程有機(jī)結(jié)合起來(lái)。2.國(guó)外超級(jí)磁體擴(kuò)張作用器的開(kāi)發(fā)2.1超磁致伸縮式電機(jī)近幾十年來(lái)超磁致伸縮作動(dòng)器的研制與開(kāi)發(fā)引起了國(guó)際上的極大關(guān)注。上世紀(jì)末,德國(guó)柏林大學(xué)KieseWetter教授利用超磁致伸縮材料棒制作了一種尺蠖式作動(dòng)器,這是世界上第一臺(tái)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器,已在造紙工業(yè)中進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。該驅(qū)動(dòng)器定子采用管狀非磁性材料,當(dāng)移動(dòng)線圈通入電流且未知發(fā)生變化時(shí),超磁致伸縮棒運(yùn)動(dòng)部分分別在縱向和徑向上產(chǎn)生磁致伸縮變化,像蟲(chóng)子一樣蠕動(dòng)前進(jìn)。它的最大驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到1000N,速度可達(dá)0.2m/s。Musoke等利用尺蠖原理和多相激勵(lì)設(shè)計(jì)了一種大推力的直線電機(jī),推力可達(dá)17N。圖1是Clark.A.E設(shè)計(jì)的尺蠖型直線電機(jī)。該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩端各自裝有一個(gè)閘片,當(dāng)施加交變磁場(chǎng)時(shí),電機(jī)的單步小位移將不斷累加成為長(zhǎng)行程的線性運(yùn)動(dòng)。2009年,KimWon-jong等人發(fā)表了一種振動(dòng)型超磁致伸縮直線電機(jī),見(jiàn)圖2。其主要性能參數(shù):最大輸出力410N,有效行程45mm。利用線圈(coils)產(chǎn)生磁場(chǎng),該磁場(chǎng)為通過(guò)活動(dòng)元件(activeelement)的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)(magneticfield),當(dāng)在定子(stator)與活動(dòng)元件之間施加適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力時(shí),活動(dòng)元件將做直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向相反。該電機(jī)功率90W時(shí),可產(chǎn)生410N推力,行程達(dá)45mm。2.2轉(zhuǎn)動(dòng)式步進(jìn)馬達(dá)1991年,美國(guó)的Vranish采用超磁致伸縮材料,利用Kiesewetter電機(jī)的原理開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)動(dòng)式的步進(jìn)馬達(dá)。它的扭矩輸出達(dá)12.2N·m,精度高達(dá)800μrad。匹茲堡州立大學(xué)研究了一種新型超磁致伸縮旋轉(zhuǎn)電機(jī),該電機(jī)利用兩個(gè)超磁致驅(qū)動(dòng)器在兩個(gè)相位差90°的正弦信號(hào)激勵(lì)下能在定子中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),再利用摩擦力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。2.3在研究超磁膨脹閥時(shí)S.Karunanidhi等把超磁致作動(dòng)器與放大機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)用于高動(dòng)伺服閥,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該閥的響應(yīng)快于傳統(tǒng)伺服閥。3.國(guó)內(nèi)超級(jí)磁速擴(kuò)張作用器的開(kāi)發(fā)3.1磁致伸的磁致縮裝置賈振元等建立了執(zhí)行器的微位移傳遞機(jī)構(gòu)、磁路、驅(qū)動(dòng)線圈及其冷卻等幾個(gè)關(guān)鍵部分的數(shù)學(xué)模型,并提出其設(shè)計(jì)理論和方法,同時(shí)研制了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器樣機(jī)。浦軍等基于超磁致伸縮材料的磁致伸縮特性設(shè)計(jì)了一種用于微位移驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器,分析了致動(dòng)器工作磁場(chǎng)的組成,計(jì)算了線圈的工作電流,并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了穩(wěn)流電源。張磊等設(shè)計(jì)了一種微位移作動(dòng)器,該作動(dòng)器基本上工作在線性區(qū)域內(nèi),其位移伸縮量大,低頻動(dòng)態(tài)性能較好,高頻諧波分量影響較小,相位延遲較小。馬志新等在分析GMM工作特性的基礎(chǔ)上,研制了超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)建立測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得了驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的驅(qū)動(dòng)器滿足實(shí)現(xiàn)微位移高精度控制的基本性能要求。3.2軌配合機(jī)構(gòu)的確定清華大學(xué)的李翠紅等利用超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)。以超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)元件、嵌入柔性鉸鏈中的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與V形導(dǎo)軌配合為箝位方式,該機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定地蠕動(dòng)步進(jìn)和后退,位移重復(fù)定位精度可以達(dá)到±15nm。王社良等對(duì)GMM作動(dòng)器進(jìn)行了磁路設(shè)計(jì),并進(jìn)行了有無(wú)套筒時(shí)超磁致伸縮作動(dòng)器輸出力對(duì)比試驗(yàn),對(duì)GMM作動(dòng)器進(jìn)行了預(yù)壓力裝置設(shè)計(jì)及溫控裝置設(shè)計(jì),保證了超磁致伸縮作動(dòng)器良好的輸出性能。該作動(dòng)器在較低的電流下可以輸出較大的力,磁機(jī)轉(zhuǎn)化效率很高,且輸出力—驅(qū)動(dòng)電流增益基本呈線性關(guān)系,具有良好的驅(qū)動(dòng)性能。3.3非線性動(dòng)態(tài)力學(xué)模型的建立為提高超磁致伸縮作動(dòng)器的性能,我國(guó)許多研究人員對(duì)超磁致伸縮作動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型、非線性等問(wèn)題進(jìn)行了理論研究。其中曾海泉等為研究超磁致伸縮作動(dòng)器的混沌和擬周期運(yùn)動(dòng)等不穩(wěn)定行為,建立了非線性動(dòng)態(tài)力學(xué)模型,用數(shù)值方法得到了反映系統(tǒng)非線性響應(yīng)特性的分岔圖、相圖、Poincaré截面圖、幅值譜等。大連理工大學(xué)將Terfenol-D棒作為粘彈性桿連續(xù)系統(tǒng),將Terfenol-D棒在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的應(yīng)變等效為磁-機(jī)械轉(zhuǎn)換等效力,建立了執(zhí)行器系統(tǒng)的一維波動(dòng)方程,并采用有限元解法求解,建立了磁致伸縮執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)模型。3.4采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的磁滯控制器為了提高驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行效率和定位精度,學(xué)者提出了各種控制方法,主要有模糊PID控制、自適應(yīng)PID控制、P-模糊PID控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。孫英采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法辨識(shí)驅(qū)動(dòng)器的磁滯模型,然后配合PID控制器建立閉環(huán)位移控制系統(tǒng),該方法可以在較短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁滯非線性參考輸入的變化,實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的位移控制。趙章榮等采用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋復(fù)合離散滑模變結(jié)構(gòu)控制策略,實(shí)現(xiàn)GMM智能構(gòu)件的精密位移控制,此控制策略能消除遲滯非線性的影響,控制誤差降低到1.5%以內(nèi),可實(shí)現(xiàn)智能