超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状

        超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive ma-　　terial,GMM)作为一种新型高效的磁(电)—机械能转换材料,是Clark[1]于20世纪70年代初发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物,典型材料为TbxDy1-xFe2-y。式中x为Tb/Dy之比,y为R/Fe之比,x一般为0.27～0.35,y为0.1～0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产,典型商品牌号为Ter-fenol-D(美国的Edge Technologies公司)或Magmek86(瑞典的Feredyn AB公司),代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。

　　继美国之后,瑞典、日本、英国等也进行了这方面的研究。目前,国际上处于领先地位的有美国的Edge Technologies公司、瑞典的Feredyn AB公司、日本的住友轻金属公司、英国的REP公司等。

　　我国作为稀土大国,开展这方面的研究较晚,但进展较为迅速。北京科技大学、北京有色金属研究总院、包头稀土研究所、中国科学院物理研究所、中国科学院上海冶金研究所和辽宁新城稀土压磁材料有限公司等单位都在从事该材料的研究,其主要性能指标都接近或已达到国际同类产品的水平[2,3]。

　　与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比,超磁致伸缩材料具有独特的性能:在室温下的应变值很大(1.5×10-3～2.0×10-3),是镍的40～50倍,是压电陶瓷的5～8倍;能量密度高(14 000～25 000 J/m3),是镍的400～500倍,是压电陶瓷的10～14倍;机电耦合系数大;响应速度快(达到μs级);输出力大,可达220～880 N。数据见表1[2,4]。

　　由于超磁致伸缩材料的上述优良性能,因而在许多领域,尤其是在机电工程中的应用前景良好。

1　超磁致伸缩执行器的应用研究现状

　　1.1　在声纳系统中的应用

　　以往的海军声纳大多采用压电陶瓷PZT作为换能器材料,需要几千伏的驱动高压,尺寸大、频带窄,且不能在低频下使用。而深海长距离目标探测中需要低频技术,在低频领域,超磁致伸缩材料的各项指标(大的磁致伸缩量,低的杨式弹性模量,比一般金属软)均比传统的有源材料做成的换能器好,因此,它最早由美国海军部门应用于低频声纳系统中。

　　国际上最先使用的Terfenol-D换能器是一种内方外圆形水下器件,叫方环换能器(见图1)。驱动部分由4根6.35 mm×50 mm的Terfenol-D棒组成,其共振频率可达2 kHz。这种类型的　　设计用于美国Gould公司和Rayfhlon公司的最早的商品水听器中[5]。

　　材料方环换能器日本学者Wakiwaka采用超磁致伸缩材料设计了声纳换能器。他采用8根20mm×120 mm的Terfenol-D棒作为振动源,并由上、下各一块永久磁铁提供一定的偏置磁场,以使超磁致伸缩棒工作在线性区;调整预紧弹簧的变形量,可以对超磁致伸缩材料施加适当的预压力。理论上,此换能器机电耦合系数可达73%,声源信号可达192 dB[6]。