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磁致伸缩驱动
第四组郭翔宇左文婷郭振乾金泰玟刘志玲
1、磁致伸缩驱动的基本原理
所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料)由于磁化状态的改变,其尺寸在各方向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外,磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下,其尺寸伸长(或缩短),去掉外磁场后,其又恢复原来的长度,这种现象称为磁致伸缩现象(或效应)。
自从发现物质的磁致伸缩效应后,人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料,主要有三大类:
①磁致伸缩的金属与合金
-45%Ni最为常用,还有镍钴铬合金等。
:87%Fe+13%Al,这种材料的价格比较低廉而受到广泛应用。其机械性能较脆是它的弱点,但仍可压延成片使用,此外,其耐蚀性也尚不致有太多影响,其性能接近低镍含量的铁镍合金。
:这种材料的磁致伸缩效应比镍还强,居里温度也比镍高得多,而且还具有恒磁性,但是它的性能与热处理关系极大.
②铁氧体
所谓铁氧体,是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料,通常是以四氧化三铁(Fe3O4)为基体再加入其他成分烧结而成,因而便于直接烧结成所需的几何形状。
铁氧体材料的优点是电声效率高,由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小,而且磁致伸缩效应显著。此外,其价格低廉也是重要的优点之一。缺点主要是烧结体的机械强度差,在承受一定的应力时会显着恶化磁致伸缩性能
③新型磁致伸缩材料
:非晶态金属是一种原子排列杂乱无序(类似液体),结构稠密的固体金属,这是特异状态的物质,是由熔融金属高速冷却制成的。它具有较强的韧性和较大的变形能力,耐蚀性也很强。由于非晶态金属的原子排列无秩序,在原理上不会存在结晶体的磁性能各向异性。含有多量铁的非晶态强磁性体具有很大的磁致伸缩效应和高磁导率等,是优良的电声换能材料。如:Fe80P13C7、Fe66CO12Si8B14、Fe78Si10B12等。
-铁合金:利用稀土金属与铁组成的合金 R-F2有很大的磁致伸缩效应和其他一些优异性能,适合制作高输出的换能器,缺点是制造成本很高,加工性能差,脆性大等,尚有待改进。典型材料有:铽镝铁合金如()Fe2 ()Fe2-δ合金系等。
:这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴(CoO)、氧化硅和氧化钛,从而可以消除四氧化三铁磁性能上的各向异性,控制它的低电阻抗值,获得较高的磁致伸缩性能,可用到高压力和变温度的苛刻工作环境中去。
2、设计实例
Etrema设计制作并验证了一套作动器设备,即使在宽频率下工作,依然可以产生足够的力。这种特定的大型反应设计工作频段为150Hz到2000Hz。这一设计同时可以产生4000N的力,或者在设备共振频率635Hz下产生30g加速度。利用作动器产生震波,并分析其反射波,可以得到地下及一些隐藏的结构和信息。图15所示为反应物作动器的横截面
反应物作动器