超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用
超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用 摘要：超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，在查阅大量文献的基础上， 介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状， 并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。关键词:超磁致伸缩 执行器 流体控制元件 0.引言 液压伺服系统的性能主要取决于组成该系统的阀、泵和液压马达等流体控 制元件的性能。因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。传统的流 体控制元件主要采用电动机、电磁铁作为驱动元件。近年来，随着一些新型功能 材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。超磁致伸缩材料就是 一种新型的电（磁）─机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大，能量密度高， 响应速度快等特性，国外以将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件 中，并取得了一些进展。本文就这方面情况做些介绍。
1.超磁致伸缩执行器 1.1超磁致伸缩材料[1][2] 超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩 材料（Fe、Co、Ni等），是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发 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表示Tb/Dy之比，y代表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 Terfenol-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。
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（1500～2000ppm），是镍的40～50 倍，是压电陶瓷的5～8倍；
能量密度高（14000～25000J/m），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220～880N。
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执行器中的应用前景良好。
1.2超磁致伸缩执行器 超磁致伸缩执行器的结构简单、位移大、输出力强、易实现微型化、并可 采用无线控制。超磁致伸缩执行器按结构可分为以下三种类型：
1.2.1直接驱动型[3] 这种超磁致伸缩执行器主要采用棒状超磁致伸缩合金直接驱动执行器件， 不采用放大机构，其一般结构如图1所示。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远 大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定的压力下工作。图中上下两块永 久磁铁用来提供一定的偏磁场，使超磁致伸缩棒在合适的线性范围内工作。这种 超磁致伸缩执行器的结构相对简单、位移大、输出力强，主要被应用于水声换能 器、新型马达、微位移控制器和流体阀中。
1.2. 2位移（力）放大型[2] 位移（力）放大型超磁致伸缩执行器根据原理可分为杠杆放大式和液压放 大式两种。杠杆放大式超磁致伸缩执行器主要采用杠杆机构来得到较大的位移或 力的输出，还可以采用两种类型的超磁致伸缩棒，即一根具有正的另一根具有负 的磁致伸缩系数来获得更好的效果。具体原理如图2所示。液压放大式超磁致伸 缩执行器主要应用了流体力学中的帕斯卡定律，它的具体原理将在后面介绍。
1.2.3薄膜型[4] 目前,在超磁致伸缩材料的应用领域出现了一个新的研究热点—薄膜型超 磁致伸缩微执行器的开发与应用。下面是在微型流体控制元件中应用较多的薄膜 式超磁致伸缩微执行器的原理。
如图3所示，这类执行器主要采用一些传统的半导体工艺,在非磁性基片的 上、下表面分别镀上具有正、负磁致伸缩特性的薄膜材料，当外加磁场变化时， 薄膜会产生变形，从而带动基片偏转和弯曲以达到驱动目的。
与通常的体磁致伸缩执行器相比，薄膜型超磁致伸缩微执行器成本较低， 并且由于薄膜中的二微磁弹性相互作用又使其具有一些新的功能，这对于超磁致 伸缩材料的实际应用具有重要意义。