[00045402]超磁致伸缩功率超声换能器

　　一、项目名称 　　超磁致伸缩功率超声换能器 　　二、技术概况 　　近年来，超声波在工程领域得到了广泛的利用，超声焊接、超声加工、超声清洗、超声污水处理、超声破碎、废旧橡胶超声波再生等名词已经是人人皆知。但是，其中不少工艺至今仍停留在实验室，极限于小规模，无法实现工业化应用。主要原因是：作为传统超声换能器心脏的致动材料，由于种种原因，不能提供给单个换能器足够大的功率。到目前为止，由传统压电陶瓷制造的连续工作的功率超声换能器最大功率是3kW，而间隙工作的功率超声换能器的最大功率为4.5kW 　　而现在，这种状况即将发生根本性的变化。由AEClark博士发明的被称为TERFENOL-D的稀土超磁致伸缩材料，具有磁致伸缩应变大，能量密度高，响应速度快，输出功率大等特点，已经在微型机电系统、水声工程、精密加工等领域得到了广泛的应用。由于其相对高的导热能力，使得超磁致伸缩材料在功率超声领域的优势尤为突出。行业先锋ETREMA公司首先认识到超磁致伸缩材料在这方面的潜力，对其做了不少基础研究，己经研制出连续工作功率为6kW，频率为20kH的超磁致伸缩功率超声换能器。 　　经过多个863计划项目的立项研究，我国超磁致伸缩材料的质量和工艺均达到国际先进水平，并且产业化，还有大量出口。但相关器件的研究相对滞后。 　　本课题组在国家自然科学基金（项目编号50875177）的资助下，用φ12超磁致伸缩棒设计制造了20kHz和15kHz换能器实验样机，并对样机进行了动力学和电磁学设计计算。对换能器磁滞损耗、涡流损耗、线路电阻损耗及机械阻尼损耗等严重影响换能器工作的热源进行了详细的理论和实验研究，用有限元方法对该样机进行了热分析，弄清楚了换能器内的温度分布情况，并由此设计了冷却系统路线。对换能器的输出进行了数值分析和实验研究，得到了各种频率下，换能器的输出位移、速度和加速度，证实了用超磁致伸缩材料制造功率超声换能器完全可行。 　　超磁致伸缩功率超声换能器系列产品，将让大量长期受功率超声换能器最大功率限制的超声加工工艺，彻底走出实验室，告别小规模，进入崭新的工业化使用，给功率超声界带来革命性的变化，让整个功率超声行业为之受益，具有巨大的社会效益。用其取代哪怕是部分取代传统功率超声换能器，都将带来数以亿计的经济效益。 　　三、产品用途和市场 　　当前功率超声在很多方面得到了应用，最为成功的应用在超声清洗和超声焊接两个方面，现在就这两个方面来论述一下本项目对社会经济的作用。 　　与其它清洗方法相比，超声清洗具有效率高、质量好，可清洗复杂零件、深孔、盲孔及狭缝中的污物等特点。随着国民经济进一步发展，超声清洗已经成为许多工业、医疗、环保等部门不可缺少的一种工艺手段。我国超声清洗近年来发展较快，超声清洗市场很大，有的一个城市就有十几家超声清洗设备公司，如果将超声波家用洗衣机考虑进去，其市场规模超过300亿。但由于受功率的限制，大规格的超声清洗机不得不靠多个换能器组成换能器阵来推动，设计和选配困难，结构复杂。 　　随着塑料工业、电子工业、汽车工业的发展，超声塑料焊接机近年来发展迅速，我国已有一百多家研制生产超声塑焊机的单位，每年的产值达120亿，但超声焊接机一样受到最大功率的限制，超声金属焊接机受到的影响更大，各方急盼大功率的功率超声换能器能有突破性的进展。 　　四、主要设备和总投资 　　该项目的投资可大可小，主要是一些通用的金属加工机床，线圈缠绕设备，电磁场检测设备等，起步生产的设备总投资不会超过100万元。