GMM在機械電子工程中的運用

姜玉東

摘要：超磁致伸縮材料的簡稱為GMM，其是一種能夠實現電—磁—機械能轉化的新型材料，基于GMM伸縮性能的優勢，逐漸被軍事、航天以及機械工程等行業采用，尤其是當前的機械電子工程領域，采用GMM這種材料能夠實現相應研發設計的進一步提升。文章首先闡述了GMM的優勢性能特點，其次對GMM在機械電子工程中的實際應用展開了探討。

關鍵詞：GMM；機械電子工程；超磁致伸縮材料；液壓泵；超精密機床；液壓控制閥 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH703 文章編號：1009-2374（2015）31-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.030

GMM這一新型材料誕生于20世紀70年代，是由美國海軍武器中心所研發出來的，目前美國、日本以及瑞典等國在這一技術的應用上處于領先地位，我國當前也能夠實現小批量的生產。因GMM本身所具備的優勢性能使其從誕生起就成為相關領域所關注的焦點，進而逐漸被應用在包括機械電子工程等在內的很多領域中。本文針對當前GMM在機械電子工程中的實際應用進行了研究與探討，試圖在分析GMM應用于這一領域優勢作用的基礎上，為實現GMM在國內的推廣提供參考。

1 GMM的性能特點概述

與傳統的伸縮材料相比，GMM所具有的優勢性能特點表現在以下方面：與Ni、Co、PZT相比，GMM在溫室下的伸縮應變能力更強、能量密度高、相應速度快、輸出力大，并且GMM的磁機耦合系數很大，進而能夠將電磁能迅速地轉化為機械能，同時GMM不僅功率大，還相對很穩定，此外，GMM的聲速很低。GMM在室溫下的伸縮應變能力大約是Ni的50倍左右，而是PZT的至少6倍以上，在密度上是前者的500倍、后者的20倍以上，在相應速度上，GMM只需要以毫秒計量，在輸出力上能夠達到近800N。GMM的穩定性表現在其能夠高居里點溫度時伸縮性能暫時性消失，會隨著溫度的下降而逐漸恢復性能，并不會失去性能。這是因為GMM具備了如上的優勢性，能使其被很多領域所采用，尤其是在機械電子工程領域，GMM的應用價值更為凸顯。

2 GMM在機械電子工程中的實際應用

2.1 GMM在液壓泵上的應用

當前，日本等國家已經研發出了基于GMM下的最新型液壓泵，其是在栓塞式液壓泵上采用了GMM來實現對活塞的直接驅動，并將其制成形如一節電池樣式的密閉性GMM泵。比如：當前日本所研制的GMM泵不僅具備響應快的優勢，同時還能夠實現對電流量的高精度控制，其流量能夠通過對磁場頻率的改變而改變，這就能夠很好地滿足當前對于精密度控制要求高的行業領域，比如醫療行業。

2.2 GMM在超精密機床加工控制上的應用

GMM精密位置控制能夠為超精密機床加工控制提供更好的效果，這是因為GMM本身在超精密位置控制上具有無與倫比的優勢。當前，日本已經將GMM轉換器應用到相應設備的研發中，并且在應用到超精密機床加工中，能夠將精密度控制在納米級，也就是能夠實現超精密機床加工的高質量控制。而國內當前在超精密機床的加工上也將GMM應用到了設計之中，并對相應的控制方法與系統進行了跟蹤模擬實驗，結果發現這一設計能夠有效地降低誤差，進而滿足設計需求。

2.3 GMM在液壓控制閥上的應用

以傳統材料為基礎的液壓控制閥在實現電能到機械能的轉化上都是借助電磁鐵等來實現的，而自GMM誕生以來，相關研究領域都將液壓控制閥的設計方向定位到了對GMM的應用，進而通過GMM優勢性能來實現電到機械能的有效轉化，以提高液壓系統的整體性能。當前瑞典已經在這一研究上取得了遙遙領先的進展，并申請了相關產品的專利，以GMM轉化器為基礎所設計出的直動式伺服閥的結構如圖1所示，這一設計的優勢特點體現為：采用了閉環控制，并且整體結構十分緊湊，具有高精密度以及高響應速度。而國內在這一研究上的主要成果來自于浙江大學，其是以GMM對內燃機等的電磁閥結構進行了設計，以實現對相應部分性能的進一步提升。

圖1 直動式伺服閥

2.4 GMM在蠕動機床上的應用

蠕動機床的原理是通過直線運動來實現電能到機械能的轉換，這一裝置能夠被應用到機器人等研究上。當前，現有的研究成果中比較有代表性的是J.Emineral等人以GMM和壓電晶體相結合所設計出的諧振型蠕動馬達，而國內相關研究領域基于GMM棒設計出了移動微位移機械，這一設計不僅在結構上實現了簡化，同時能夠隨著電壓的變化而變化，同時能夠實現雙向控制。

2.5 GMM在新型電動機上的應用

當前，美國以及瑞典等國家已經將GMM應用到了相關的研究領域，其是用GMM或者與GMM相結合使用的壓電材料，進而實現直線以及振動兩種形式的電動機，同時實現了相關產品專利的申請。比如C.Frank等人所設計出的振動型電動機，采用了兩個線性驅動器以及一個圓環裝置，進而依靠圓環頂部的振動來實現驅動，最高轉速能夠達到100R/s。在直線型電動機的研發上，J.M.等人設計出了相應的電動機模型，并在跟蹤實驗下證明了這一電動機的優勢特點，即精密度高且能夠實現自制定能力以及雙向運動。

2.6 GMM在聲納轉化器上的應用

關于聲納轉換器應用GMM的研究起步于20世紀70年代的美國海軍，當前在這一技術上具有突破性進展的主要以英國以及日本等為典型代表，GMM在聲納轉化器應用上的實現被進一步使用在了航海以及油田探測等領域中。而國內在這一領域的研究上取得較大進展的是中科院以及北京鋼鐵總院，其將GMM應用到聲納轉化器上，能夠將共振的頻率控制在2.3kHz，且發射電流的靈敏度較高。

2.7 GMM在機械電子工程其他領域中的應用

當前，GMM除了在上述領域中得到的應用，還在線性馬達、聲表面波以及噪音控制等方面實現了應用研究，同時已經有很多相關的專利誕生，還有一些研究已經取得了很大的進展或者具有良好的發展空間與前景。這些領域科研事業的進步程度直接關系到GMM能否盡快實現普及性的推廣，進而為各行業領域的發展奠定基礎。

3 結語

綜上所述，GMM這種新型材料的誕生促進了整個相關領域技術的進一步完善，而對于相關應用領域來說，GMM的應用能夠為設計效果以及生產效率等的提升提供技術優勢。對于我國來講，我國地大物博，稀土資源富有，進而具備了研發GMM這一新型功能材料的基礎，這就使GMM在國內具備了良好的發展空間與應用前景。而如何依靠我國的資源來實現GMM材料的大規模生產，并將GMM廣泛地應用到相關行業領域中，亟待解決。對于機械電子工程領域來講，GMM本身的研發處于起步階段，而要想確保GMM在機械電子工程中的應用能夠切實發揮出自身的優勢作用，還有賴于當前研發設計工作的進一步進展。但是，不可忽略的是當前我國在相關方面的研究成果已經為機械電子工程領域的進一步發展奠定了扎實的基礎。

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（責任編輯：陳 倩）endprint