現代彈性體的動態材料性能數據比以前任何時候更為重要。彈性組份在所有產品，從汽車、計算機到高爾夫球中都起著關鍵作用。預測產品有效期內的防震性和負荷性能非常重要。為了保證獲得準確的模型，必須收集各種工作條件下的動態材料性能數據，包括動態負荷條件、溫度史和疲勞史，尤其在投資是采用非線性有限單元分析工具進行新產品開發時更是這樣，因為材料性質不準確會導致不準確的性能預測。

液壓伺服測試系統一直被用于測試彈性組分，其高負載能力和較長的行程非常適用于測量各組分的行為，但這種技術用于表征基礎材料時也有缺點。傳統的DMA/DMTA測試系統是第二選擇，但它們缺乏表征非線性彈性體，如充氣輪胎用途和隔振設備所需的負荷和行程范圍。

一種新型電磁技術對于許多彈性材料的動態表征看來都是完美的選擇，它使用一個活動磁鐵而不是活動線圈。不管需要完成的是動態機械分析、應力松馳、蠕變、超彈性、高周疲勞還是龜裂增長試驗，此新技術的性能范圍都可保證模型能預測真實世界的行為。

以往的觀點

正如上面提到的那樣，現有兩種技術用于彈性材料的動態試驗。每種技術都有其各自的優點和缺點，因此有著各自適合的細分市場領域。包括：

液壓技術，其高壓油（200-350bar）提供能量推動活塞；
電磁技術，通常稱為語音線圈，它的固定磁鐵和活動線圈（電磁）相互作用產生運動。

液壓系統，類似MTS系統和Instron，可提供很寬的頻率范圍（靜態到1000赫茲）和較高的負荷（10000牛頓或更高）。這些能力結合在一起使得這項技術成為動態測試的常規選擇。

不過，液壓系統非常昂貴，而且它有許多活動部件和密封件，維護費用高。另外，其能源成本也很高，因為泵必須連續運轉，而且油被看作有害廢料，一旦污染就必須更換。由于傳動裝置和/或伺服閥的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且傳動裝置的活動質量非常高。在多軸應用時由于摩擦，傳動裝置的側向負荷還會引起波形扭曲或密封件磨損。

與Rheometric Scientific、TA Instruments、ThermoHaake和Mettler Toledo公司電磁系統類似的系統可以創造從靜態到高頻（某些超過400赫茲）的高保真運動。它們已被廣泛用于各種測試條件下聚合物玻璃化轉變溫度的測量、模擬固化過程和聚合物的動態性能表征。

這些系統非常節能：不過大多使用空氣軸承，會需要一個氣壓源。負荷范圍寬（從毫微牛頓到幾百牛頓），但是大多數用于材料測試的系統都限制在40牛頓或更低的最大負荷。行程范圍通常也受到限制（6mm或更小）。雖然用于保持電磁系統校準（機械、空氣軸承或隔膜）的系統通常需要維護，以保證最佳性能，但維護成本通常很低，這也使得活動線圈具有有限的疲勞壽命。線圈組合件的活動質量相當高，這限制了其動態性能。

為什么要采用活動電磁馬達

Bose公司在電磁、材料科學和運動控制方面具有技術優勢，它使用活動線圈馬達設計（例如聲轉換器...）最終開發出了高性能的線性傳動裝置。最近，Bose公司又推出了一種完全不同類型的線性傳動裝置，被稱為活動電磁馬達，它在動態材料性能測試時的能力要高得多，而且沒有了傳統材料測試技術的一些缺陷。

線性馬達設計有著以下材料測試優勢：

負荷范圍（從毫微牛頓到最高可達6000牛頓）和行程范圍（毫微米到25毫米）覆蓋了材料測試需要的大部分區域；
很高的馬達輸出力，加上低磁鐵質量，意味著加速度最高可達1500米/平方秒，頻率超過400赫茲，速度高于3米/秒；
優異的動態性能，加上無摩擦阻力的撓性懸掛系統，提供優異的保真度和準確性；
線性馬達高度節能，因為電能是與所需負荷成正比（無需氣壓源或油壓源，而且沒有機械摩擦損失）； 
沒有密封件或軸承的摩擦磨損，沒有活動部件和浮動磁頭，線性馬達已證實具有特別優異的耐用性，運轉150億周期以上未出現故障或進行維修。無需維護、更換油或濾清器。

活動電磁馬達是如何工作的？

圖1是活動電磁馬達的一個簡單圖示。活動電磁馬達的磁性部分由三個基本元素組成：磁鐵、線圈和磁心。磁鐵左右移動，而線圈和磁心保持靜止。

為了滿足測試市場的需要，Bose公司在活動磁鐵馬達上使用了最新技術的含釹鐵硼（NdFeB）磁鐵。描述此功能的一個簡單方法就是把磁心和線圈組合看作一個隨電流產生北極和南極的電磁。施加電流時，磁鐵的適當極相互吸引或排斥，產生力。電流越強，產生的力就越大。

磁鐵是如何懸掛在間隙中？

為了使馬達性能保持最佳，磁鐵和磁心之間的間隙和磁鐵厚度比必須非常小。機械懸掛可實現許多重要功能。首先，懸掛允許磁鐵沿著所需的軸向路徑移動，且阻力最小。第二，懸掛使得磁鐵不會與磁心表面發生碰撞。和磁心接觸會產生不希望有的摩擦和馬達的非線性行為。

為了滿足這些要求，Bose公司創造了低質量的撓性懸掛系統，無摩擦、無限壽命，橫向剛性高、而軸向剛性低。懸掛采用特殊的不銹鋼合金制成，具有優異的疲勞性能，已證實在超過150億周期時仍然有效。

撓性設計帶來的一個額外好處是撓曲在主軸的橫向和扭矩方向可抵抗負荷，從而可以經濟地完成樣品的多軸測試，不會損害線性馬達、密封件和軸承的摩擦效果。

把線性馬達并入測試儀器

EnduraTEC Systems公司和Bose公司組成了技術聯盟，將Bose公司的活動電磁線性馬達技術與EnduraTEC的材料測試系統相結合，以充分利用線性馬達優異的性能范圍。聯合的結果是ElectroForce（ELF）系列測試儀。測試儀包括臺式，負載能力最高可達4500牛頓（試驗臺，ELF3200和3300）和立式，（ELF3400）負載能力最高可達6000牛頓。他們全部由標準電源插座提供動力，不需要其他額外的基礎設施。其結構緊湊，節約空間，空氣冷卻，符合無塵室的要求，運行時噪音低，多種線性和扭矩馬達可同時安裝在同一臺儀器上，用于多軸應用程序。

利用傳統的電磁技術，負荷和行程范圍作為頻率的函數也會受到限制。伺服液壓系統允許較高的負荷和行程，但運轉和維護成本高，而且密封件摩擦和活動質量還會限制了其較小的振幅激勵。而由活動電磁線性馬達驅動的測試系統提供了開發者比其他測試系統更寬的正弦激勵，且范圍正好疊加了彈性材料動態測試的需要。

ELF3230的正弦性能是行程和頻率的函數，這表明在遠遠超過50赫茲時，即使顯著施加負載，仍可達到12.5毫米的全動態行程。線性馬達的精確性允許測試在低至0.00001赫茲（約為一天一轉）的頻率下進行。Bose線性馬達的性能已在實際情況下通過測試數據獲得證實，包括夾具質量和樣品剛性。

動態機械分析

動態機械分析（DMA），有時也被稱作動態機械熱分析（DMTA），是用于分析和表征材料通常是聚合物性能的技術。將一個正弦激勵應用于材料樣品，可測量負荷的動態振幅、相位和行程，然后將材料的動態性能表示為頻率、溫度、應變振幅、平均含量和預處理的函數。

ELF測試系統可以測量動態性能，如一種情況下以頻率對加速參數作圖。這個測試設計用于再造扭矩DMA系統的常規能力，一個例子就是在線性剪切、5%動態應變下測試四種不同分支程度的未固化橡膠化合物，溫度控制在120℃。

非線性材料模擬數據

大多數有限元素材料模型要求在不同情況下測量材料的負荷和偏轉行為。傳統技術集中于線性（小應變）范圍的粘彈性測量，而新型馬達設計用于測量更真實（大應變）情況下彈性材料的周期和時間依賴性能。馬達可以測試的應變水平超過100%，頻率從每天一轉到每秒400轉，以模擬模型化特定組份的關鍵情況。其大范圍的動態性能允許所有的所需測試可在同一系統中完成。

一個常規的拉伸夾具構造可以最佳化來進行動態測試。樣品可以測試簡單的拉力、壓力、剪切力和純剪切（平面拉力），單軸或多軸負荷結構中三或四點彎曲構造，以測量彈性材料的所有關鍵反應。

應力松馳/蠕變

線性馬達測試技術的低活動質量和高加速能力提供了最好的條件去測量材料的蠕變和應力松馳性能。測試可以以毫秒計，并非常準確。例如，10微秒內樣品行程15毫米。相比而言，以前使用的伺服液壓系統獲得的最快時間是35微秒。

疲勞和斷裂力學分析

線性馬達提供了很寬的動態性能范圍和耐用性，使其非常適合研究材料的疲勞和斷裂性能。Bose線性馬達較高的頻率使材料迅速龜裂增長，或在短時間內進行幾百萬周期有疲勞運轉。線性馬達先進的撓性設計意味著損害是施加于樣品，而不是標準測試系統的密封件或軸承，降低了維護成本，提高了每個系統的產品測試時間。

高保真度保證測試條件是準確而且可重復的，因此使測試中數據的散射最小化。測試可以覆蓋決定材料疲勞限制或斷裂韌性所需的所有情況。

盡管表征彈性體動態性能的測試可以結合傳統的伺服液壓系統和電磁技術完成，現代經濟情況推動各公司去找到新的方法以降低成本 — 包括操作成本和資金成本。由于活動電磁線性馬達優異的性能，研究者可以用一個測試系統完成所有的測試需要。建立一個新實驗室所需的資金也降低到一半或三分之一。如果再考慮到操作上的優勢，如減少維護和能量成本，降低實驗室噪音，降低由于油和冷卻水處理帶來的環保費用，是非常值得以這種新型線性馬達技術來取代現有設備。

現在一個測試系統就可以提供所有的所需材料性能，增加了先進非線性有限元素分析的材料模型。系統特別適用于完成動態機械分析、應力松馳、蠕變、超彈性測試、高周疲勞和龜裂增長測試。同樣的系統還能用于測量輪胎簾布、尼龍纖維、固化/未固化橡膠化合物的動態性質。靜止線圈和活動磁鐵的專利優勢，加上無摩擦阻力撓性懸掛系統，實現了語音線圈和液壓測試系統所無可比擬的性能。