GMM高频微小泵的性能分析

　　0　引言

　　稀土超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMate-ria,l简写为GMM)是继稀土永磁,稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料,被誉为21世纪战略性高科技功能材料。GMM材料能有效的实现电磁能—机械能的可逆转化,具有应变大,响应速度快,能量传输密度高和输出力大等优异性能,已广泛的应用于机械、电子、军事、医药和国防等领域,特别是在机器人、传感器、航海、声纳、换能器、微驱动器、微机电系统和流体元件等领域应用最为广泛[1]。同时近年来,以微加工技术为基础的微机械电子系统(MEMS)、高性能材料(超磁致伸缩、形状记忆合金型)等的研究发展迅速,由此带动了微流体系统(能控制和测ul/min级的微流体装置构成的系统)的发展。由于微流体系统具有很少的流体死区,能对少量流体进行精确控制且反迅速的特点,目前微流体系统在医药(如体液检测、药物输送)、生化(如微分析系统、基因筛选)、计算机(如CPU冷却)、交通(如燃料射)、环境检测、军事等方面已显示出广阔的应用前景[2]。

　　微泵作为微流体系统中最重要的液压动力元件,一直以来是微流体系统的研究重点。由于GMM材料的优异性能,基于GMM材料的高频微小泵具有非接触式驱动、结构简单、易于微型化、可显著提高泵的响应速度和控制精度等优点,在微流体系统中的应用也日益引起广泛重视。

　　1　结构原理

　　GMM高频微小泵的结构如图1所示。由图中可以看出,GMM高频微小泵主要由GMM电—机械转换器和一个单柱塞泵两部分组成。主要工作原理为GMM电—机械转换器在磁场作用下,GMM棒产生轴向位移并驱动微小泵柱塞运动,实现泵的吸、排液运动。

　　预压弹簧和调节螺钉给予GMM棒施加一定的预压力,使其工作在线性段,并可增加磁致伸缩应变,提高GM电—机转换器的转换效率,同时调节螺钉可以方便地对泵腔容积和预压弹簧的预压力进行调节。前端盖、后端盖、GMM棒、输出杆和气隙共同组成闭合磁路。泵腔与输出杆之间有良好的配合精度,使输出杆在泵腔内作往复运动时基本没有油液泄漏。

　　当线圈中通入一定的电流时,在磁场的作用下GMM棒产生一定的伸缩位移,带动输出杆做往复运动。当输出杆右移时,泵腔容积减小,在压力作用下排油单向阀打开,吸油单向阀关闭,泵完成一次排油的过程。当输出杆左移时,泵腔容积增加,产生局部真空,在大气压的作用下,吸油单向阀开启,同时排油单向阀关闭,泵完成一次吸油的过程。

　　2　基本性能参数

　　GMM高频微小泵的基本性能参数包括泵的压力、流量、排量、功率和效率等。