超磁化条件下超磁致伸缩作动器迟滞现象研究

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1、第23卷第4期Vo1．23．No．42013年12月Dec．2O13超磁化条件下超磁致伸缩作动器迟滞现象研究郭雪涛，王修勇，孟庆甲(湖南科技大学土木工程学院，湘潭411201)摘要：论述了超磁致伸缩材料的主要物理特性，通过对其迟滞现象的实验观测，指出迟滞现象对超磁致伸缩作动器的精确控制造成的影响．提出了超磁化的方法对迟滞现象进行改善，并通过实验进行了验证，最后从理论上对其有效性做了分析论述．研究表明：采用超磁化后，作动器的力一磁耦合关系更明确，对作动器的控制效果更好．关键词：超磁致伸缩；作动器；迟

2、滞现象；超磁化中图分类号：TB34文献标识码：A文章编号：1671一l19X(2013)04—0062—06的能量转换器具有输出功率更高、响应快、漂移小、O引言居里温度高、可靠性好、能量密度高等特点．此外由磁致伸缩材料属于智能材料，当外磁场发生改于Terfenol-D材料可在低阻抗下运行，使得磁致变时，磁致伸缩材料会产生体积或形状的变化，从而伸缩作动器结构更简单．然而超磁致伸缩材料也存产生磁致伸缩现象，实现位移或者力的输出．1974在不足，其抗拉强度低(约为28MPa)¨3]，材质较脆、年美国的C

3、lark等对磁致伸缩材料做了成功的改易碎，电阻率低、高频特性较差等，此外由于超磁致良，通过在传统磁致伸缩材料中添加稀土元素从而伸缩材料的制作成本高，其价格较昂贵．这些都在一获得更高的磁致伸缩率，大约是传统磁致伸缩材料定程度上影响了超磁致伸缩材料在实际工业中的应的100倍n]．这种新型材料是稀土一铁系金属组成用L4]．目前磁致伸缩材料广泛应用于高精密控制领的化合物，称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetos—域、电子工业、机械工业，以及汽车与民用等方面，是trietiveMaterial，简写为

4、GMM)，以Ter{enol—D一类很有发展前景的新型智能材料．(铽镝铁)为代表．该材料一经发现立即受到各国科本文对超磁致伸缩材料的迟滞现象通过实验进技研究领域的关注，在美国、日本、瑞典等采用不同行了观测与研究．为了减小迟滞现象对磁致伸缩作工艺、不同的配合比制成了各种配合比的超磁致伸动器控制的影响，本文提出了对磁致伸缩材料施加缩材料，并通过实验研究最终选定了其成分比为超压激励电压的改善方法，并通过对比性实验进行TbO．27Dy0．73Fe22]．Terfenol-D磁致伸缩应变了验证，最后对迟滞现

5、象的原因以及超压的有效性大、稳定性好，目前已经有公司开始规模化生产，并做了分析与论述．进人许多研究领域．1超磁致伸缩材料的物理特性超磁致伸缩材料具有比传统的磁致伸缩材料更好的性能，主要表现为其磁致伸缩率大，抗压能力强国内外学者对超磁致伸缩材料进行了大量的实(约为700MPa)，频率特性好，频带宽，特别适用于验研究，其主要物理特性有磁致伸缩现象、倍频效低频区工作．与传统的压电陶瓷材料相比，Terfenol应、预压应力特性、迟滞现象、高频特性差、温度敏感—D材料在磁弹性、磁电热性能以及声学力学等方现象

6、，其力磁耦合呈非线性，以及在预压应力下其磁面具有明显优势，是一种新型高效的电能一机械能致伸缩率具有跳跃性．这些特性影响了磁致伸缩材或电能一声能转换材料．以Terfenol—D材料制成料在驱动器中的应用，通过对这些性能的研究，以便收稿日期：2013—04—02基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078142)作者简介：郭雪涛(1987一)，男，硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程第4期郭雪涛等：超磁化条件下超磁致伸缩作动器迟滞现象研究63合理地利用或避免这些特性，从而更好地发挥磁致定；当温度高于

7、8O℃时，超磁致伸缩材料的磁致伸伸缩材料的性能．缩率会显著降低．磁致伸缩现象是指在外磁场发生改变时，超磁致磁致伸缩应变与磁场强度呈非线性关系．通常伸缩材料会产生体积或形状的变化．磁致伸缩现象可可以分为三区段：第一段呈平缓的增长段(I区)，第以分为体磁致伸缩和线磁致伸缩两类．当添加外磁场二段为迅速的线性增长段(1I区)，第三段为平缓的时(与磁场方向无关)材料的尺寸会伸长或体积变大，饱和段(11I区)，如图1所示[7]．当去除外磁场后，材料的尺寸或体积会还原．研究应用中可以利用磁致伸缩现象实现位移输出

8、或力的输出，也可以用来实现电磁能一声能的转换．倍频效应是在交变电流产生的外加磁场下，超磁致伸缩材料产生的应变频率是前者的两倍．造成这种现象的原因是磁致伸缩现象的发生只有外磁场的场强大小有关，与场强方向无关．为了改变倍频效H1H2应的影响，可以通过设置偏置磁场使得激励磁场的场强方向保持不变，从而避免了倍频效应的发生．图1磁致伸缩率随磁场强度呈非线性变化预压应力特性是指超磁致伸缩材料在有预压应跳跃效应是指超磁致伸缩材料在有预压应力情况下力的情况下其磁致伸缩率可以得到大幅提高的现其磁致伸