試析GMM在機械電子工程中的應用

朱小川

摘要：隨著科技的發展，高科技已成為當今世界各國提高綜合競爭實力的主要力量之一，由此，我國形成了以高科技為主的科技強國戰略。超磁致伸縮材料（GMM）于上世紀70年代迅速興起，作為新型的功能材料，已被各國高度重視，并加以充分利用，以提升自身的科技競爭實力。目前，在GMM的研究開發和應用方面，美國、日本以及瑞士處于世界領先水平。我國是世界資源強國，雖然在研究GMM上起步晚，但是，研究的進展比較快、應用的效率比較高。基于此，本文從GMM的性能特點著手分析，綜合大量的參考文獻，對GMM在機械電子工程中的應用進行了具體的分析，以推動GMM應用研究的深入發展。

關鍵詞：GMM；機械電子工程；應用；分析

前言

GMM作為新型的功能材料，在軍民兩用領域都有著難以估量的應用前景，自上世紀80年代投入于西方市場至今，隨著其制造成本的降低，以及應用領域的不斷的擴大，使其市場需求量在不斷的增加。我國在GMM材料的研究上相對來說起步并不算晚，但是，在應用方面還處于起步階段，面對21世紀科技高速發展的今天，如何將GMM充分應用，以提高我國的科技綜合競爭實力，是當前應用開發領域研究的重點。目前，國內有少數研究單位已能小批量的進行生產，并受到了相關行業企業的廣泛關注，現已被多領域應用。本文對GMM在機械電子工程的應用現狀進行了分析，為相關研究領域提供參考，以進一步推動GMM在機械電子工程中的應用研究的發展。

1.GMM的性能特點及優勢

GMM的性能特點以及優勢為：第一，溫度的穩定性能高且范圍廣，與傳統壓電材料PZT和Ni，Co比較，其在室溫下的磁致伸縮應變更大；第二，結構緊湊，響應速度很高，達到幾十毫秒甚至微秒，應變能力強，并能降低損耗；第三，能量密度比傳統材料大，輸出功率更高[1]。

2.GMM在機械電子工程中的應用

隨著科技的日新月異，GMM在機械電子工程中的應用研究呈現出較為活躍的狀態，因此，其在電子工程中的應用范圍也隨之擴大，本文將對以下幾個應用方面進行分析闡述：

2.1 GMM應用于液壓閥

液壓閥是液壓傳動系統中的控制元件，是用來控制系統中流體的流動方面、調解流動壓力以及流量。GMM在液壓控制閥中的應用為：微型開關閥、比例閥、單極電液伺服閥以及擋板型伺服閥。超磁致薄膜微型開關閥是利用薄膜的伸縮效應實現控制閥的工作，在外加磁場為30mT時產生最大開口量，從而大大減小了驅動磁場；比例閥是直接利用超磁致伸縮棒的輸出位實現對其控制，在300Hz時閥芯位移達到0.0122毫寸，其最高驅動信號頻率為5kHz；單極電液伺服閥也叫做直動式伺服閥，其最大的特點是采用了閉環控制，結構緊湊的同時，精密度高；擋板型伺服閥的特點是擁有較寬的壓力控制范圍、良好的線性度以及高反應速度[2]。

2.2 GMM應用于液壓泵

超磁致伸縮泵是通過分析磁場強度在GMM棒軸線上的分布，利用GMM直接將液壓泵的活塞驅動，從而提高電磁機械的轉化效率。目前，類似于一節電池式的密閉性GMM液壓泵已經問世，比如日本現已制成具有響應速度快，且高精度控制流等優點的GMM泵，在外磁場變化的頻率為2kHz時，泵的輸出流量可達到10L/min，這樣精密控制程度可滿足不同相關行業的需求。

2.3 GMM應用于蠕動位移機械

蠕動位移機械指的是能夠像自然界某種蝴蝶的幼蟲一樣，能夠做連續的步行運動，其步距最小可達到4納米，運動速度為毫米每秒。GMM蠕動機械目前在距離控制、機器人中都有著廣泛的應用。在應用方面，國外將其與壓電晶體相結合，設計出諧振型馬達，其最高的工作頻率能夠達到300Hz；在國內，蠕動微位移機械已被成功的研制出，其結構簡單，行進步距也會隨著電壓的變化而變化，在電壓為12v時，其步距為0.011mm，由此可見，我國在此技術的研發應用以及設計上都有著很大的進步。

2.4 GMM應用于聲納換能器

目前，世界上很多國家如日本、美國等，以相繼研發出GMM聲納換能器，GMM聲納換能器在很多方面都得到了廣泛的應用，如水下通信、跟蹤定位等。英國在GMM聲納換能器方面，已成功的研制出1350Hz的聲納換能器設備，我國關于聲納換容器的研究工作已經取得了很大的進展，其頻寬為800kHz。

2.5 GMM應用于新型電動機

GMM新型電動機在應用上的成果有直線電機、蠕動電機、Kiescwetter電機以及Recherche馬達。超磁致伸縮直線電機不僅能量轉化率高，響應速度快，可適應溫度寬、能夠在低電壓狀態下工作，與此同時，還不容易發生疲勞退化的現象，對能源的供應需求也非常小；蠕動電機的應用類型很多，比如機器人、機器手等，它的應用特點是在驅動棒的兩端各有一個閘片，在交變磁場法神該變化的情況下，位移累加會呈線性運動，在應用的過程中，能夠獲得很快的運動速度。Kiescwetter在應用的過程中，最大速度能達到20mm每秒，最大驅動力可達到1000N，并且不會產生重載反沖現象，常被用于涂層重量控制；Recherche馬達是利用兩種機械間的機械共振[3]。

2.6 GMM超精密機床加工控制

GMM超精密機床加工控制，憑借GMM的優勢性能，在應用上具有非常大的潛力。將GMM轉化器應用于加工車床上，其加工的密度可達到納米單位量，從而增加了控制效果。目前，我國將GMM超精密機床加工控制應用于計算機閉環控制系統內，并進行了模擬實驗，證實其有很好的應用效果，并滿足了當前相關領域的設計需求。

3.結論

超磁致伸縮材料作為一種新型的功能材料，必然會促進相關工藝技術的發展，其不僅在機械電子工程中得到了初步的引用與發展，與此同時，它還能應用于其它工業領域，因而，應得到高度的重視。隨著科技強國戰略的深化發展，為了提升我國的綜合國力，有必要加深技術研究深度，并加以廣泛的應用。本文通過分析超磁致伸縮材料在機械電子工程中的應用，以明確GMM應用的現狀，為我國進一步研究開發GMM在電子工程中的應用，提供基礎性的參照。

參考文獻：

[1]丁凡，戴旭涵，夏春林.GMM蠕動微位移機械的研究[J].儀器儀表學報，2010，20（4）：419～420.

[2]王博文等.巨磁致伸縮材料及其應用[J].沈陽工業大學學報，2009，9（03）：64-67.

[3]杜挺等.稀土-鐵系超磁致伸縮材料的應用研究[J].金屬功能材料，2012，8（4）：173-176.