试析GMM在机械电子工程中的应用

朱小川

摘要：随着科技的发展，高科技已成为当今世界各国提高综合竞争实力的主要力量之一，由此，我国形成了以高科技为主的科技强国战略。超磁致伸缩材料（GMM）于上世纪70年代迅速兴起，作为新型的功能材料，已被各国高度重视，并加以充分利用，以提升自身的科技竞争实力。目前，在GMM的研究开发和应用方面，美国、日本以及瑞士处于世界领先水平。我国是世界资源强国，虽然在研究GMM上起步晚，但是，研究的进展比较快、应用的效率比较高。基于此，本文从GMM的性能特点着手分析，综合大量的参考文献，对GMM在机械电子工程中的应用进行了具体的分析，以推动GMM应用研究的深入发展。

关键词：GMM；机械电子工程；应用；分析

前言

GMM作为新型的功能材料，在军民两用领域都有着难以估量的应用前景，自上世纪80年代投入于西方市场至今，随着其制造成本的降低，以及应用领域的不断的扩大，使其市场需求量在不断的增加。我国在GMM材料的研究上相对来说起步并不算晚，但是，在应用方面还处于起步阶段，面对21世纪科技高速发展的今天，如何将GMM充分应用，以提高我国的科技综合竞争实力，是当前应用开发领域研究的重点。目前，国内有少数研究单位已能小批量的进行生产，并受到了相关行业企业的广泛关注，现已被多领域应用。本文对GMM在机械电子工程的应用现状进行了分析，为相关研究领域提供参考，以进一步推动GMM在机械电子工程中的应用研究的发展。

1.GMM的性能特点及优势

GMM的性能特点以及优势为：第一，温度的稳定性能高且范围广，与传统压电材料PZT和Ni，Co比较，其在室温下的磁致伸缩应变更大；第二，结构紧凑，响应速度很高，达到几十毫秒甚至微秒，应变能力强，并能降低损耗；第三，能量密度比传统材料大，输出功率更高[1]。

2.GMM在机械电子工程中的应用

随着科技的日新月异，GMM在机械电子工程中的应用研究呈现出较为活跃的状态，因此，其在电子工程中的应用范围也随之扩大，本文将对以下几个应用方面进行分析阐述：

2.1 GMM应用于液压阀

液压阀是液压传动系统中的控制元件，是用来控制系统中流体的流动方面、调解流动压力以及流量。GMM在液压控制阀中的应用为：微型开关阀、比例阀、单极电液伺服阀以及挡板型伺服阀。超磁致薄膜微型开关阀是利用薄膜的伸缩效应实现控制阀的工作，在外加磁场为30mT时产生最大开口量，从而大大减小了驱动磁场；比例阀是直接利用超磁致伸缩棒的输出位实现对其控制，在300Hz时阀芯位移达到0.0122毫寸，其最高驱动信号频率为5kHz；单极电液伺服阀也叫做直动式伺服阀，其最大的特点是采用了闭环控制，结构紧凑的同时，精密度高；挡板型伺服阀的特点是拥有较宽的压力控制范围、良好的线性度以及高反应速度[2]。

2.2 GMM应用于液压泵

超磁致伸缩泵是通过分析磁场强度在GMM棒轴线上的分布，利用GMM直接将液压泵的活塞驱动，从而提高电磁机械的转化效率。目前，类似于一节电池式的密闭性GMM液压泵已经问世，比如日本现已制成具有响应速度快，且高精度控制流等优点的GMM泵，在外磁场变化的频率为2kHz时，泵的输出流量可达到10L/min，这样精密控制程度可满足不同相关行业的需求。

2.3 GMM应用于蠕动位移机械

蠕动位移机械指的是能够像自然界某种蝴蝶的幼虫一样，能够做连续的步行运动，其步距最小可达到4纳米，运动速度为毫米每秒。GMM蠕动机械目前在距离控制、机器人中都有着广泛的应用。在应用方面，国外将其与压电晶体相结合，设计出谐振型马达，其最高的工作频率能够达到300Hz；在国内，蠕动微位移机械已被成功的研制出，其结构简单，行进步距也会随着电压的变化而变化，在电压为12v时，其步距为0.011mm，由此可见，我国在此技术的研发应用以及设计上都有着很大的进步。

2.4 GMM应用于声纳换能器

目前，世界上很多国家如日本、美国等，以相继研发出GMM声纳换能器，GMM声纳换能器在很多方面都得到了广泛的应用，如水下通信、跟踪定位等。英国在GMM声纳换能器方面，已成功的研制出1350Hz的声纳换能器设备，我国关于声纳换容器的研究工作已经取得了很大的进展，其频宽为800kHz。

2.5 GMM应用于新型电动机

GMM新型电动机在应用上的成果有直线电机、蠕动电机、Kiescwetter电机以及Recherche马达。超磁致伸缩直线电机不仅能量转化率高，响应速度快，可适应温度宽、能够在低电压状态下工作，与此同时，还不容易发生疲劳退化的现象，对能源的供应需求也非常小；蠕动电机的应用类型很多，比如机器人、机器手等，它的应用特点是在驱动棒的两端各有一个闸片，在交变磁场法神该变化的情况下，位移累加会呈线性运动，在应用的过程中，能够获得很快的运动速度。Kiescwetter在应用的过程中，最大速度能达到20mm每秒，最大驱动力可达到1000N，并且不会产生重载反冲现象，常被用于涂层重量控制；Recherche马达是利用两种机械间的机械共振[3]。

2.6 GMM超精密机床加工控制

GMM超精密机床加工控制，凭借GMM的优势性能，在应用上具有非常大的潜力。将GMM转化器应用于加工车床上，其加工的密度可达到纳米单位量，从而增加了控制效果。目前，我国将GMM超精密机床加工控制应用于计算机闭环控制系统内，并进行了模拟实验，证实其有很好的应用效果，并满足了当前相关领域的设计需求。

3.结论

超磁致伸缩材料作为一种新型的功能材料，必然会促进相关工艺技术的发展，其不仅在机械电子工程中得到了初步的引用与发展，与此同时，它还能应用于其它工业领域，因而，应得到高度的重视。随着科技强国战略的深化发展，为了提升我国的综合国力，有必要加深技术研究深度，并加以广泛的应用。本文通过分析超磁致伸缩材料在机械电子工程中的应用，以明确GMM應用的现状，为我国进一步研究开发GMM在电子工程中的应用，提供基础性的参照。

参考文献：

[1]丁凡，戴旭涵，夏春林.GMM蠕动微位移机械的研究[J].仪器仪表学报，2010，20（4）：419～420.

[2]王博文等.巨磁致伸缩材料及其应用[J].沈阳工业大学学报，2009，9（03）：64-67.

[3]杜挺等.稀土-铁系超磁致伸缩材料的应用研究[J].金属功能材料，2012，8（4）：173-176.