《装备制造技术｝２０１０年第８期
超磁致伸缩作动器设计与试验研究
王社良，王熙斌，代建波，赵祥
（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５）
摘要：针对空间结构的动力灾变控制，以超磁致伸缩材料为核心元件，充分利用其输出力大、响应速度快、可靠性高、驱动电压低等磁 控特性．设计出一种将电磁能转化为机械能的磁致伸缩作动器，并分析其工作原理和设计方法，然后通过试验对其进行输出性能测试。
关键词：超磁致伸缩；ＧＭＭ做动杆；性能测试
中图分类号：ＴＭ２７ 文献标识码：Ａ
超磁致伸缩材料，是一种在外磁场作用下，其长度及体积
均发生变化，去掉外磁场后，又恢复原来的尺寸的智能材料，
能高效地实现电磁能与机械能之间的相互转换［１】。自１９７４年
美国的Ｃｌａｒｋ博士发现二元稀土铁合金在常温下的磁致伸缩
系数比传统材料（如Ｆｅ，Ｎｉ）大数十倍后，人们把这种新型磁致
伸缩材料称为超磁致伸缩材料（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｓｌｘｉｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ， 简称为ＧＭＭ），其商品牌号为Ｔｅｆｆｅｎｏｌ—Ｄ翻。用ＧＭＭ制作的作
动杆，具有磁致伸缩应变量值大、能量转换效率高、能量密度
大、工作电压低、响应速度快、承载能力强等无可比拟的优良 特性，因而非常适宜用于结构振动的主动控制。
１ 超磁致伸缩作动器总体结构设计
１．１ ＧＭＭ作动器设计原理
ＧＭＭ元件在由励磁绕组提供的磁场作用下，发生形变产 生作动力与位移，通过调节励磁绕组的电流，控制磁场大小。
当ＧＭＭ元件中的磁场达到一定值时，元件发生变形。磁场去
掉以后，ＧＭＭ元件基本自动恢复变形。
１．２ ＧＭＭ作动器总体结构设计 图１为本文设计的ＧＭＭ作动器的总体结构示意图，图２
为制造好的ＧＭＭ作动器实物图。此ＧＭＭ作动器包括外套、
探测线圈、偏置线圈、激励线圈、线圈骨架、ＧＭＭ元件、作动
杆、连接杆、预压碟簧和调节螺母等，具体参数见表１。通电后 偏置线圈、激励线圈提供叠加磁场，单层探测线圈用于测量磁
第３３卷第４期 ２０１３年８月 振动、测试与诊断
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ。Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ＶｏＩ．３３ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１３
．Ｉ专家论坛
超磁致伸缩材料传感／执行器的原理与应用
贾振元， 王福吉， 邹 君， 刘慧芳
（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连，１１６０２４）
摘要超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，具有大磁致伸缩系数、高能量密度、低磁场驱动、高磁机转换效率
以及快速响应等优点，在精密驱动技术中得到应用。利用磁致伸缩正效应可以开发微位移执行器、力驱动器和振
动器等；利用磁致伸缩逆效应可以开发力、力矩和位移传感器以及能量转换器；利用磁致伸缩正逆耦合效应可以开
发集驱动、力测量、输出力感知和输出力可控等功能于一体的器件，应用于精密驱动领域。在分析了磁致伸缩正效
应、逆效应以及正逆耦合效应机理的基础上，阐述了超磁致伸缩传感器、执行器以及传感执行一体化器件的开发原
理及其应用现状。
关键词超磁致伸缩材料；执行器；传感器；正逆耦合效应
中图分类号ＴＢ３４；ＴＨ３９
引 言
各种智能材料如压电陶瓷、形状记忆合金以及
磁致伸缩材料的应用，使得原本依靠精巧机构、精密
检测和精确控制完成的精密微驱动解决方案可以依
靠智能材料的功能性来实现。不仅使结构变得紧凑
简捷、精密微驱动作业能够满足更高的要求，而且精
度由传统的微米级提高到纳米级。上述各种功能材
料有着各自的特点和应用领域。超磁致伸缩材料作
为一种新型功能材料，具有大磁致伸缩系数、高能量
密度、低磁场驱动、高磁机转换效率以及快速响应等
优点。该材料具有强磁致伸缩正效应、逆效应以及
正逆耦合效应，表现出双向能量转换特性。利用磁
致伸缩正效应可制作驱动器或振动器，实现力、微位
移驱动或振动控制；利用磁致伸缩逆效应可制作传
感器，实现力、力矩和位移等物理量的感知；利用磁
致伸缩正逆耦合效应，可以开发集驱动、力测量、输
基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器径向磁场仿真分析
薛光明，何忠波，李冬伟，李玉龙，崔旭
（军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄０５０００３）
摘要：为放大超磁致伸缩致动器的位移，设计了位移传递机构以叠加致动器中超磁致伸缩棒和筒的输出。 针对该致动器中棒和筒的径向磁场分布，基于有限元法建立了磁场强度的计算电磁学模型，并利用ＡＮＳＹＳ软 件进行了仿真。通过仿真得到棒和筒上任一点磁场强度值，选取多个截面的磁场强度进行平均计算，得到近输 出端、近底座端和中间部位三处不同位置的磁场径向分布规律及位移传递机构相对磁导率对它的影响。研究结 果对于位移传递机构材料选择具有重要的意义。 关键词：超磁致伸缩致动器；位移传递机构；磁导率；径向磁场；仿真 中图分类号：ＴＭ７０３．８；ＴＰ２１２．１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．３８３０（２０１４）０１．００１０．０４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＧＭＡ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ＸＵＥ Ｇｕａｎｇ－ｍｉｎｇ，ＨＥ Ｚｈｏｎｇ—ｂｏ，ＬＩ Ｄｏｎｇ—ｗｅｉ，ＬＩ Ｙｕ—ｌｏｎｇ，ＣＵＩ Ｘｕ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍａｇｎｉｆｙ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ａｃｔｕａｔｏｒ，ａ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｏｖｅｒｌａｙ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｒｏｄ ａｎｄ ｃａｎｉｓｔｅｒ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｔ ａｎｙ ｐｏｉｎｔ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔａｎｔｌｙ ｒａｄｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（ｎｅａｒ ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｄ，ｎｅａｒ ｂａｓｅ ｅｎｄ ａｎｄ ｍｉｄｄｌｅ ｐａｒｔ）ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅｍ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂｏａｙ ｍａｔｅｒｉａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ａｃｔｕａｔｏｒ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｒａｄｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
第２５卷第１期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
超磁致伸缩作动器用于振动主动控制中的仿真研究
张天飞汪鸿振孙曜
（上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室，上海２００２４０）
摘 要 目前对于太阳和地球引力变化引起的微振动，采用先进的主动控制能达到高精度的隔振要求。主要是推
导并建立了超磁致伸缩作动器（ＧＭＡ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ）的动力学方程和数学模型，并将其运用到振动主动 控制中，采用ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ—Ｉｎｔｅｇｒａｌ—Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ１）反馈控制方法，对双层隔振下层受到激扰的系统进行仿真计算，仿真结 果表明它能对微幅低频振动衰减２０—５０ｄＢ，能起到明显的减振效果。 关键词：超磁致伸缩，振动主动控制 中图分类号：ＴＢ５３５ 文献标识码：Ａ
０引 言
随着精密测量和精密加工技术的发展，人们对环
境的振动提出了极其严格的要求。一些情况下不仅要
求对机器、行人引起的一般性振动进行隔离，还要求对
由于地球自转、太阳和地球引力变化引起的微振动进
行控制。传统的被动隔振技术已不能满足这样的振动
控制要求，只有采用先进的主动控制技术，才能达到高
精度的隔振要求。美国水面武器中心的Ｃｌａｒｋ教授首
先发现稀土一铁化合物ＲＦｅ （Ｒ代表稀土元素）的磁致
伸缩在室温下是Ｆｅ、Ｎｉ等传统磁致伸缩材料的１００多
倍，这种材料被称为超磁致伸缩材料。用超磁致伸缩
材料（ＧＭＭ）制作的作动器具有变形大、响应快和低频
特性好等特点，它已经被广泛应用于超精密加工、纳米
测量和液压倒服阀等方面。
在设计适用于振动主动控制的超磁致伸缩作动器
的基础上，使用所设计的ＧＭＡ对精密装置的振动主动
控制进行理论研究。采用ＰＩＤ反馈控制方法，对双层
隔振下层受到激扰的系统进行理论建模和仿真计算，
通过汁算确定Ｐ、１、Ｄ控制参数，最后进行验证。
