超磁致伸缩泵实验特性分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

20世纪是液压技术从开始兴起到不断成熟的时代。液压技术是以液体作为工作介质，实现信息、运动以及能量的传递、分配、转化与控制的技术^[1]。作为最主要的三大传动与控制方式之一，它具备功率密度高、结构小巧、配置灵活、动态性能好、易于实现直线运动等独有的技术优势，且已经成功地被应用于一切对运动过程需要进行灵活控制与调节的大、中功率型的机械设备当中，成为现代化进程中不可缺少的一项重要的基础技术^[2]。

随着传统液压传动技术的发展，现代液压系统的研究更加倾向于朝着微小型化、节能化与流量精密可控化的方向发展。液压泵作为液压系统的动力装置，其工作性能同整个液压系统的表现息息相关。特别是随着军工、航天、机器人、计算机控制等领域的飞速发展，传统的液压系统已经不能满足高精度、快速响应等要求，因而使微型电子机械系统MEMS (Micro Electro Mechanical System)这种具有可以在狭小空间内进行作业且又不扰乱工作环境与对象的特点，使其在航空航天、生物医疗、精密仪器等领域具有广阔的应用潜力的新型致动系统得到更多的关注^[3]。近年来，通过对MEMS的深入研究与流体理论的不断成熟，也使得微流体系统MHS(Micro Hydraulic System)得到长足的进步。超磁致伸缩材料GMM（Giant Magnetostrictive Material）作为新型功能材料，凭借其优良的性能，在微流体领域的研究应用中具有重要的价值。

当铁磁材料与亚铁磁材料的磁化状态发生变化时，它们的长度和体积都会随之发生微小的变化，这种现象被称之为磁致伸缩现象。英国著名的物理学家焦耳在1842年发现了金属镍（Ni）具有这种磁致伸缩现象，所以又将这种现象称之为焦耳效应^[4]。虽然随着磁化状态发生变化所导致材料的体积与长度都有变化，但相比之下长度的改变比体积的改变要大得多，所以这种被称之为线性磁致伸缩的现象是研究的重点。由于镍在磁场作用下的磁致伸缩变化量级为10^-5～10^-6 ，跟铁的热膨胀系数差不多，这就导致其应用在当时受到很大的限制^[5]。上世纪60年代，人们发现稀土元素在磁场中展现出了许多独有的性能，使得磁致伸缩的应用初步具备了可能性。美国水面武器研究中心的工作人员发现稀土金属的磁致伸缩应变明显优于金属镍，他们在4.2K的低温下对重稀土元素铽(Tb)和镝(Dy)进行研究。实验结果表明这两种元素的磁致伸缩现象比较明显，磁致伸缩系数可达8×10^-6，于是将此现象称之为超磁致伸缩现象。但是由于该现象的实现条件较为苛刻，因此还不具有实用性，只能停留在研究阶段^[6]。在70年代初，以A. E. Clark博士为代表、美国海军水面武器研究中心(NSWC)和Iowa大学Ames实验室合作研制出了具有立方莱夫斯（Laves）相结构的金属间化合物TbDyFe。经实验研究，发现该材料在室温下具有较好的磁致伸缩性能、几乎为零的磁晶各向异性和超过室温的居里温度。同时，只要外加预压应力就可以在低磁场中获得极高的磁致伸缩系数，使超磁致伸缩材料有了实用性，开辟了新的时代^[7]。这些由铽、镝、铁等元素组成的磁致伸缩材料在室温弱磁场下的磁致伸缩量可达到10^-3数量级，其磁致伸缩能力大约是普通磁致伸缩材料的100~1000倍，材料的磁致伸缩系数高达1500~2000ppm，称为超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material)，简称GMM^[8]。GMM目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，其制备方法、材料特性分析、以其为核心部件的驱动器件或传感器件的开发应用等都引起了国内外学者的广泛关注。

经过多年研究，以Terfenol-D为代表的商业化的稀土超磁致伸缩材料得到了广泛的关注。通过利用GMM对于电磁能和机械能之间的有效转换效率，出现了许多先进的应用器件，且随着 GMM 制备工艺的发展，材料性能的不断提高，这些应用器件在国防、工业、计算机等许多领域得到了越来越广泛的应用。表1-1列出了Terfenol-D材料与传统磁致伸缩材料的相关性能指标。

表 1.1 Terfenol-D、镍和压电陶瓷的典型性能指标^[9]

与传统的磁致伸缩材料以及压电陶瓷材料（PZT）相比，超磁致伸缩材料具有以下突出的优点：

① 室温下的磁致伸缩系数大，其应变值可达1500~2000ppm，是纯Ni的40~50倍，是压电陶瓷的6~8倍，因此不需要非常大的磁场就可以获得较大的应变值，使其在各个领域拥有了广泛的应用前景。

② 机电耦合系数大，其转换效率甚至达到了72%，使得电磁能与机械能之间的能量转化损耗降低，适合在换能器中使用。

③ 能量密度高（14000~25000J/^m3），是传统磁致伸缩材料的500~800倍，压电陶瓷的15~25倍，这将意味着GMM只需要较低的驱动电压或电流就可以得到较大的输出力。

④ 响应的速度快，其响应时间由线圈的励磁时间所控制，一般仅需要百万分之一秒，且频率特性好，工作频带宽。

⑤ 居里温度高，工作温度范围较广，性能稳定，可靠性强。当压电陶瓷的的工作温度过热时将对其的性能产生不可逆转的影响，甚至当温度超过居里温度时会让压电陶瓷完全失去极性。相比之下，GMM不会过热失效，即使当工作温度达到居里点温度以上时也仅仅只会使其磁致伸缩特性暂时消失，一旦冷却到居里温度以下，性能又将完全恢复。

GMM除上述特点之外,还具有维拉里效应、维德曼效应、维德曼逆效应、倍频现象等多种物理效应，其中倍频现象是GMM独有的现象，具体表现为无论在正或负磁场的作用下，Terfenol-D都会伸长变形，且产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，所以在设计磁致伸缩棒器件时，要添加一个偏置磁场来消去倍频，确保其机械运动在线性区间之内^[10]。

目前，随着研究工作的进展，超磁致材料的制备工艺逐渐成熟，其性能也不断得到提高，促进了超磁致器件的设计和研发。现在其主要的应用方面包括：

（1）换能器

声呐换能器是GMM材料最早应用的领域之一。换能器是利用水中声波对水下目标进行定位、探测、通信与导航的电子设备，是现代军事中有着重要的作用。

根据文献^[11]资料显示，美国早已在20世纪70年代开始利用超磁致材料研究设计大功率声呐，瑞典、英国、日本也相继使用该材料进行声呐研究。图1.1为美国Etrema公司研发的CU18A磁致伸缩超声换能器，其额定电压250V，额定电流10A，采用风冷的冷却方式，通入4.1×105Pa冷空气，可承受的最大温度为150℃，正常工作温度范围0～100℃，内部设有温度保护装置；使用频率为15～20KHz，最佳谐振频率为18KHz，轴向载荷8500N，输出振幅为6～10μm；其可以用于超声焊头驱动、微位移定位等。

图1.1 CU18A磁致伸缩超声换能器

我国中国科学院声学研究采用了Terfenol-D，设计出了“鱼唇式”弯张换能器，它利用变椭圆壳体结构，可同时起到振幅放大和高度加权放大的效果，换能器样机结构形式如图1.2所示，几何尺寸210mm×90mm×82mm，重量3.5kg，实验结果表明该弯张换能器发射电流响应为182dB，在水中谐振频率约为1.1kHz^[12]。

图1.2 鱼唇式”弯张换能器

（2）传感器

文献[13]中Kleinke和 Uras提出了一种磁致伸缩力传感器，它的结构示意图如图1.3所示。感应线圈与激励线圈分别缠绕在两根磁致伸缩棒上。当有如图方向的力或应力作用时，磁路中将产生能被感应线圈检测到的磁通量变化。

图1.3 磁致伸缩力传感器

河北工业大学闫格等以GMM棒作为敏感元件设计了力传感器，结构如图1.4所示，它运用永久磁铁来产生初始磁化场，测量静态力 ^[14]。

图1.4 位移自感知型位移传感器

（3）致动器

美国匹兹堡州立大学的Zhou, Nanjia等学者研发出了一种新型磁致伸缩旋转马达。如图1.5所示，两个相互垂直放置的棒作为该马达的驱动元件，通过柔性铰链机构放大其位移。当通入50Hz电流驱动时，其转速可达18转/分钟^[15]。

图1.5 超磁致伸缩旋转马达

甘肃天星稀土功能材料有限公司研制了一款超磁致伸缩迷你共振小音箱，如图1.6所示。其频响范围为100至12KHz，承载功率为18W。该音箱可以播放任何平台的音乐，有着良好的反响^[16]。

图1.6 超磁致伸缩迷你共振小音箱

（4）其它应用

基于维德曼效应和维德曼逆效应原理制作的旋转马达致动器和扭转传感器还有许多其它的应用，如研发的超磁致伸缩致动器可用于振动时效处理、振动主动控制、转动式步进电机、尺蠖直线电机、谐波电机等^[17-19]。

从相关文献记载可知，早在1991年国外便已经开始展开对于超磁致伸缩泵的相关研究，而近十几年来研究工作更是取得了不少进展。马里兰大学、俄亥俄州立大学、Sat Con Technology公司、CSA Engineering公司和Active Signal Technologies公司等均已在该项目上进行了大量的研究，并取得了不少的成果。

马里兰大学较早的展开的对于超磁致伸缩泵的研究工作，以Anirban Chaudhuri, Joshua Ellison等为代表的学者们已经对超磁致伸缩泵进行了不少理论与实验研究。其中，Anirban Chaudhuri学者设计出的超磁致伸缩泵结构如图1.7所示。该泵采用直径均为12.7mm，长度分别为51mm和102mm的Terfenol-D棒作为驱动元件。实验结果表明，51mm和102mm长度的超磁致伸缩泵均在驱动频率为325Hz时达到最大的流量，分别为24.8cm³/s和22.7cm³/s，最大输出力均为89N^[20]。Joshua Ellison学者对于压电材料、Galfenol材料和Terfenol-D材料在泵上的应用进行了理论分析，并进行实验论证，搭建了如图1.8的实验平台，实验研究结果表明了超磁致材料Terfenol-D泵性能的优越性能^[21]。

图1.7 Anirban Chaudhuri学者设计的泵

图1.8 Joshua Ellison学者设计的泵

俄亥俄州立大学的Michael J. Rupinsky等人建立了超磁致伸缩泵的动力学模型，并进行了实验研究，他们所制作的超磁致伸缩泵模型结构如图1.9所示。在10Hz驱动频率下该泵可以达到最大稳定压力7.85Mpa。簧片阀的最大操作频率为1000Hz，而整个电液驱动系统在160Hz时，达到最大无负载输出速度为9.27Hz，最高工作频率为165Hz^[22]。

图1.9 Michael J. Rupinsky学者设计的泵

CSA Engineering 公司研制的超磁致伸缩液压泵，其结构如图1.10所示。该泵采用长度102mm、直径25.4mm的Terfenol-D棒作为驱动元件。实验结果表明最佳工作频率为200Hz，无负载最大流量可达到25.4mL/s，输出功率超过100W，最高压力为11.7MPa。作者同时还指出，如果簧片的刚度太小，将会导致排油时单向阀不能完全关闭；而如果簧片的刚度太大，又会使压力下降过多^[23]。

图1.10 超磁致伸缩液压泵

我国作为稀土资源大国，对于超磁致伸缩材料的研究展开的较晚，但在国家“863”等项目的支持下，进展较为迅速。然而我国学者对于超磁致伸缩泵的研究相对较少，相关的实验研究更是不多。

浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在国内首先开展了对于超磁致伸缩材料在流体控制元件中的应用研究，其研究方向主要集中在超磁致材料对于伺服阀与精密流量控制阀驱动的相关应用，有关超磁致伸缩泵的理论研究并不太多。

安徽理工大学学者王传礼学者提出了一种超磁致伸缩高频微小泵结构，并对其的压力、流量、排量和功率等基本参数进行了简单讨论，文献中并未说明进行了实验研究工作^[24]。

武汉理工大学赵亚鹏学者设计制造了一种超磁致伸缩泵，实物如图1.11，并进行了相关的理论与实验工作。该泵采用了长度150mm、直径10mm的Terfenol-D棒作为驱动单元，并设预压力15MPa，驱动频率50Hz，驱动电流6A。实验结果表明，当使用15号液压油时，最大输出流量为516.65mL/min^[25]。

图1.11 赵亚鹏学者设计的超磁致伸缩泵

本课题所设计的超磁致伸缩泵为容积式泵，其工作机理大致如下：超磁致伸缩材料会随着磁场的变化而产生伸缩变形，随之带动超磁致伸缩泵的输出轴做直线往复运动。该运动将导致泵腔的容积发生变化，从而和外界产生压力差。在泵腔上部已经安装了两个被动式单向阀，随着压力差的变化而交替打开和关闭，起到整流的作用，进而达到液体介质单向连续流动的目标。其工作过程可基本分为四个不同的阶段：压缩、排出、扩张和吸入阶段^[26]。

1、压缩阶段:在这个阶段,腔内的流体由于棒长度的增加而被压缩，导致泵腔的压力的增加。这一阶段只要泵腔与驱动侧的压力差小于簧片阀的极限压力便会一直持续。同时在这一阶段簧片阀都被关闭。

2、排气阶段:在这个阶段,当压力差超过簧片阀的极限压力时将导致簧片阀在水泵房的输出端口打开，允许流体流入油管高压的一侧。压力产生在输出缸的高压侧并导致了运动的负载。这个运动使液体进入了一个提供高度兼容能力的蓄力器。由于驱动侧的高压力,液体在这个地区被认为有受到其自身压缩性的影响。另一方面,蓄力器与液体相比其具有非常低的刚度且很容易变形；因此，驱动流/低压侧假定为不可压缩。

3、扩张阶段:当应用电信号开始降级时，棒开始收缩，导致泵腔的压力下降。此时簧片阀的输出端口不允许任何液体进入腔室。然而，簧片阀的输入端口仍然关闭且低压侧压力与泵腔的压力的差值仍低于极限压力。这个阶段类似于压缩阶段,除了棒将收缩而不是阶段1中的扩张。

4、吸入阶段:当输出缸和泵腔之间的压力差超过簧片阀的极限压力时，簧片阀的输入端口将打开且液体流入泵腔。

本课题的研究意义体现在：

（1）提出了一种超磁致伸缩泵的结构设计方案，完善相关设计，研究超磁致伸缩材料在流体中的应用，为基于超磁致材料的流体输送系统提供理论支持。

（2）进行超磁致伸缩泵的样机实验，获得相关的实验数据，加快促进超磁致伸缩泵的开发与实际应用。

2. 研究的基本内容与方案

超磁致伸缩致动器（giant magnetostrictive actuator，简称gma）的总体结构如图2.1所示，其主要由gmm棒、线圈、输出轴、精密压力弹簧、预紧螺母、壳体、端盖和连接件螺栓等构成。当驱动线圈被加载了一定的电流时，线圈内部便会产生相应的磁场。在此磁场作用下,gmm棒将发生磁致伸缩效应，进而推动输出轴和活塞组件输出位移和力，将电磁能转化为机械能，并最终转化成为液体介质的动能。

图2.1 gma结构图

3. 研究计划与安排

第1-2周：检索阅读磁致伸缩致动器相关的参考文献，包括期刊、学位论文，对所研究内容的背景和研究现状有大体的了解，并作简要的总结分析。另外，翻译相关英文文献一篇。

第3-4周，对研究的内容和方向有了大致的了解，初步确定研究方案，完成开题报告，并初步完成对超磁致伸缩泵(gma)的结构设计。

第5-8周，使用matlab工具辅助进行开环阶跃仿真分析，从而模拟等效质量、等效阻尼和等效刚度三个参数对于流量特性的影响；利用ansys有限元分析软件，对设计的超磁致伸缩泵的结构进行仿真建模，从而分析悬臂梁式单向阀的过流特性，并基于此提出gma结构的优化方案。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]路甬祥.液压气动技术手册[m].北京:机械工出版社，2002

[2]刘和平.液压与气压传动[m].上海：上海交通大学出版社，2011

[3] 卢秋红．微型仿生蠕动机器人驱动器及动力学建模研究[d]．上海：上海交通大学，仪器科学与技术学院，2004．