GMM在機械電子工程中的應用研究現狀

李連合　劉海亮

摘 要：隨著科技的進步，機械電子工程技術獲得了較大的發展。而超磁致伸縮材料作為一種具有極大磁致伸縮系數的伸縮材料被應用在電子工程中得到了較多的關注，GMM材料的尺寸伸縮可以伴隨外加磁場的變化而變化，這也正是將其運用在電子工程中的巨大優勢。文中就GMM的優勢和特點展開分析，并就其運用在機械電子工程中的具體情況進行了研究。

關鍵詞：超磁致伸縮材料；機械電子工程；液壓；控制閥

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

GMM在常溫下因磁化狀態的改變，其長度與體積將會隨之變化。也就是說，GMM具有強大的磁致伸縮系數，因其多為稀土構筑，而又被稱為超磁致伸縮材料。GMM材料具有較強的耐熱溫度性能，磁致伸縮性能極高，在普通室溫下，就能保持較高的機械能與電能轉換，且能量密度大、響應速度快，是目前運用在機械電子工程中非常重要的材料[1]。本文針對GMM材料的性能、優點及其在機械電子工程中的具體應用展開分析，并就其應用現狀和發展前景進行探討。

1 GMM的性能特點與優勢分析

1.1 GMM概述

超磁致伸縮材料自身的尺寸會隨著外加磁場的變化而變化，磁致伸縮系數大，遠遠大于傳統的磁致伸縮材料，這也正是其優勢所在。早在1971年，美國海軍在進行表面武器實驗時，在尋找磁致伸縮材料時發現了如TbFe2、DyFe2、SmFe2等具有較高磁致伸縮系數性能的材料。并且根據美國海軍的相關實驗得出，這些材料需要較高的磁場來驅動，這樣一來就限制了材料的運用。后來，他們通過研制一些新的合金材料發現其具有很高的居里溫度，而且還能提高其磁致伸縮性能，并能被廣泛的應用起來，至此，磁致伸縮材料得到了較大的關注。

1.2 GMM的特點

在室溫下，GMM具有很高的機械能轉電能轉換率，且能量密度大、可靠性高、響應速度快，能夠方便簡單進行驅動[2]。而正是因為這些特點和優勢，使得GMM在機械電子工程中的應用得到了廣泛關注，同時，也促進了電子信息系統、傳感系統以及振動系統的改革。一方面，GMM的磁致伸縮系數非常大，甚至比Fe、Ni等多種材料多出幾十倍，而且正是因為這樣的性質，使得超磁致伸縮材料迅速得到發展。另一方面，因超磁致伸縮材料的能量轉換高，甚至能夠達到49%～56%，超越了壓電陶瓷23%～52%的轉換率，所以GMM更可以應用于制造高能量轉換率的機電產品。

1.3 GMM的性能

相較于壓電材料與傳統磁致伸縮材料來講，GMM有著巨大的優勢。比如，在常溫下，GMM磁致伸縮材料的伸縮應變較大，甚至可以達到Ni的 40～50倍，是壓電材料的5～8倍；其能量密度高，遠遠超越了Ni等材料的能量密度；同時，GMM還具有超快的反應速度，可以在幾十毫秒以內反應，有的甚至可以達到微秒級；不僅如此，GMM擁有強大的輸出力，能夠帶動高強度的荷載。除此之外，超磁致伸縮材料的磁機耦合系數較大，所以其電磁機械能的轉換效率也較高；不僅工作性能穩定，居里點溫度高，而且在大功率的工作條件下，也不會因器件過熱而導致磁致伸縮特性失效，而只需要進行冷卻恢復[3]。最后，我們所知道的GMM材料工作頻帶寬，可以用于幾百赫茲以下的低頻但也同樣適用于超高頻。

2 GMM在機械電子工程中的應用現狀

2.1 GMM在液壓閥中的運用

所謂液壓閥就是機械電子工程中液壓傳動系統中的一個控制元件，專門用于控制系統流體、調節流動壓力以及流量的。通常這種液壓閥中包括微型開關閥、比例閥以及單極電液伺服閥等環節都有使用超磁致伸縮材料。首先來說微型開關閥，其應用原理主要是通過利用薄膜伸縮效應來實現對控制閥的控制，當外界磁場為30 mT時，就是開關閥的最大開口量，這樣一來就可以小小降低驅動磁場。對于比例閥的使用主要是通過發揮磁致伸縮棒來實現輸出位對比例閥進行控制，當300 Hz時閥芯位達到0.122 1毫寸，最高驅動信號的頻率就是5 kHz[4]。其次，對于單極電液伺服閥以采取閉環控制的措施，使其結構緊湊的同時，能夠達到較高的緊密度；GMM運用于擋板型伺服閥時會擴大其壓力控制范圍，讓其擁有較高的反應速度。

2.2 GMM在液壓泵中的應用

所謂磁致伸縮泵就是利用磁場強度在GMM軸線上的分布，直接對液壓泵的活塞進行驅動，以此來提高電磁機械的轉化效率，達到較高的效率。而目前，人類已經退出類似于電池一樣密閉性較強的GMM液壓泵，這種泵也要具有較高的精度控制流，當外磁場變化頻率為2 kHz時，可以將泵輸出流量提高到10 L/min。不僅如此，很多國家已經研制出了GMM聲納換能器，能夠廣泛應用于水下通信、跟蹤定位等方面，這些應用都是GMM得到了巨大的推廣和發展。圖1 所示為薄膜型磁致伸縮微型泵結構示意圖[3]。

2.3 GMM在蠕動位移機械中的應用

所謂蠕動位移機械就是能夠進行連續的步行運動的控制機械，類似于蝴蝶幼蟲一樣能夠蠕動。這種機械的步距最小為4 nm，運動速度也是毫秒級的，目前主要運用于距離控制與機器人等方面。不僅如此，很多國外研究將其和壓電晶體結合，還設計出了諧振型的馬達，工作頻率高達300 Hz，而在我國，蠕動位移機械也已經有了簡單結構的成品，相信在未來，GMM運用在蠕動位移機械中還能發揮更大的作用。

2.4 GMM在新型電動機中應用

目前，對于應用GMM的新型電動機主要成果包括直線電機、蠕動電機以及Recherche馬達[1]。一種超磁致伸縮直線電機能夠達到較高的能量轉化率，且繼承了所有超磁致伸縮材料的優點，擁有超快的響應速度，可使用的溫度范圍廣。不僅如此，這種電機還不容易發生疲勞退化等現象，對于能源供應的要求較低，適應很多類型的工作。

3 GMM在機械電子工程中的未來發展前景

前面說到，關于超磁致伸縮材料也就是GMM的研究已經有很長一段時間，并且有關于其新型功能周邊機械電子工程應用的內容也越來越多。因此，GMM在機械電子工程中的應用研究逐漸成為了提高國家科技綜合競爭力和國際勢力的戰略性措施。由上文可知，GMM有著高于傳統伸縮材料和壓電陶瓷環能材料的優勢，是軍用、民用的高科技產品，具有非常大的價值和應用前景，且市場不斷擴大，市場需求不斷加強[5]。

超磁致伸縮材料在外磁場作用下長度和位移都會發生變化，因此具有一定的做功功能，而在交變磁場中，超磁致伸縮材料會發生反復伸縮，產生振動或者聲波，電磁能借助這樣的聲波和振動轉化成機械能或者聲能。相反地，也能通過振動或者聲波將機械能轉化為電磁能，以提高機械的轉化率，完美運用在機械電子工程中[4]。迄今為止，全球已經有1000多種GMM相關器件產生，涉及的范圍有航空航天、國防軍事、電子生產等多個領域，這不僅有利于促進相關產業的提升，更能提高國家的綜合實力。

最后，隨著科技的進步和人們生活水平的提升，人們對于GMM運用在機械電子工程中的要求也逐漸提高。相信在不久的未來，GMM運用的領域會逐漸拓寬，其重要性也將逐漸突出。比如，我們可以將GMM運用在電子工業或者高精度自動控制行業；在海洋工業對還留分布、海下地質、地貌進行探測；也可運用于石油以及航空航天業。

4 結 語

綜上所述，作為近年來運用在機械電子工程中的重要材料，超磁致伸縮材料的運用得到了廣泛的關注，因其高度耐熱的性能和磁致伸縮性能，再加上能量密度大、響應速度快等優勢，值得我們進一步運用在多種領域中。相信在未來，我們還能夠加快對GMM的研究，將其運用在多種領域，發展我國科技綜合實力，創造更多的利益和財富。

參考文獻

[1]朱小川.試析GMM在機械電子工程中的應用[J].中國機械，2014（24）：106-107.

[2]何漢林.GMM動態遲滯特性建模及其參數辨識[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[3]王傳禮，方平，丁凡，等.GMM在機械電子工程中的應用研究現狀[J].電子機械工程，2002，18（4）：1-4，8.

[4]文玉梅，周麗萍，李平，等.GMM/PZT/GMM層合材料的縱振磁電響應[C].第11屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集，2009：31-33，40.

[5]蔣世祥，黃琪，丁凡，等.單片機在GMM蠕動微位移機械控制中的應用[J].電子工程師，2001，27（9）：1-2，18.

[6]王傳禮.基于GMM轉換器噴嘴擋板伺服閥的研究[D].杭州：浙江大學，2005.