超磁致伸缩振动器谐振频率自感知机理研究

逆 转 换 是 自 感 知 理 论 的 物 理 基 础 ’。 Ｇ ｒｉ 。 ａｃ ａ和
Ｊｎ ｓ 给 出 自感 知 的定 义为 ： ｏｅ “自感 知驱 动技术 就是 为
从 驱动器 中分 离 出敏 感 信 号所 采 取 的一 切 方 法 ， 敏 且 感 信号与 驱动器 控 制 信 号 是 相 互 独 立 的 ” 。对 于 同一 物性 的传感 器与 驱动器 本 来就 是 同一 种 效应 下 的 不 同 功能， 即传 感 器 与驱 动 器 所 应 用 的 效 应 互 为 逆 效 应 。
振
第 ２ 第 ３期 ９卷
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣＫ Ｉ Ｓ
超 磁 致 伸 缩 振 动 器 谐 振 频 率 自感 知 机 理 研 究
徐爱群 ，宋小文 ，胡树根
（ ．浙江大学 机械与能源工程学院 ， １ 杭州 ３０ ２ ； ．嘉兴学 院 机械工程 学系 ， １０ ７ ２ 嘉兴 ３４ ０ ） １０ １
点往往 会发 生 变化 ， 难 使 整 个 振 动 切 削 系统 实 现谐 很
现感 知 功 能 。若 利 用 超 磁 致 伸 缩 振 动 器 的 自感 知 功 能 ， 知 得到振 动 系统 的谐 振 频 率 ， 可实 现无 传 感 器 感 则 方式 的谐振 频率 自动 跟踪 。 自感 知 振 动器 有 如下 优越 性 ：１ （ ）从 设计安 装 角度看 ， 自感 知振 动 器作 为一 个器 件与 机械本 体集 成 ， 使被 控 制 对象 减 小体 积 ， 低重 可 降 量 ， 构 紧凑 ， 加设计 的 自由度 ， 低安 装难 度 。 （ ） 结 增 降 ２
会 产生 明显 的涡 流 损耗 ， 需要 对 棒 进 行 纵 向切 片叠 层
是 双 向可 逆 的 ， 即器 件 的敏 感 材 料 在工 作 环 境 下必 须 同时具有 正效 应 和 逆 效应 ， 常见 的可 逆 现 象 有 电 一磁 互 逆和机 一电互 逆 现 象 ， 能 器 能实 现 能量 的双 向可 换
从控 制角 度看 ， 自感 知 振 动 器 可 以 实 现 真 正 的 同位 控
振工作 ， 很有 必 要对 整个 切 削 系统 的谐 振 频 率 进 行 跟 踪 ， 证 系统输 出能量最 大 ¨ 。 目前 ， 以保 Ｊ 频率 跟踪 的方 式 有很 多 ，如 ：跟踪 系统 的最 大 电流 、 大 功率 、 最 相位 、 最大导 纳等 Ｊ 。若 能利 用 超 磁致 伸 缩 材料 的 自感 知 特 性来进 行振 动 系 统 的谐 振工 作 点 的检 测 与 跟 踪 ， 实 时调节超 磁致 伸 缩 振 动 器 激励 磁 场 的工 作 频 率 ， 之 使 等 于振动 系统 的谐 振频 率 ， 系统 的振 幅最 大 ， 而 可 则 从 以传递 出更 多的能量 。 自感 知是 以驱 动器 能实 现 双 向换 能为 基 础 的 ， 器
１ 超 磁 致伸 缩振 动器
超 磁致 伸缩 振动器 体 积 小 、 能量 密 度 高 、 作频 率 工 高及耦 合 系数大 ， 有利 于振 动 器 的宽 带 高效 率工 作 ， 可 应 用 于强力 、 高频 工作场 合 ， 磁 致 伸缩 振 动器 结 构如 超 图 １ 示 。超 磁 致 伸 缩 棒 长 度 取 决 于 系统 工 作 振 幅 、 所 速 度 和行程 的 要 求 ； 的 横 截 面 面 积取 决 于输 出力 的 棒 大小 ； 磁致 伸缩 材料 的 电阻 率较 低 ， 交变 的磁场 下 超 在
焊接 以及振 动 时效 处 理 等 ， 动 器 的主 要 类 型 有 电磁 振 式、 机械 式 、 压式及 超 磁致 伸 缩式 等 。在 振 动切 削 过 液 程 中一 般需 工作在谐 振 状态 ， 时 能量 转 换效 率 较 高 ， 此 但 振动切 削 系统 各 个 部 件 在 材料 、 造 等 方 面 存 在误 制 差， 单个 部件 的声学 误差 会 对整 个 组合 系 统产 生 影 响 ， 温度 、 载 以及 振动 系统 本 身 的机械 磨 损 等 因素 ， 负 谐振
关键词 ：振 动器 ； 谐振频率 ； 自感知 ； 自动跟踪 ； 超磁致伸缩
中图 分 类 号 ：Ｔ ２ ４ ５ Ｐ ７ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
振 动器广 泛应 用于 工业 现 场 中 ， 振 动切 削 、 动 如 振
超磁 致伸 缩振 动器 中 ， 当能 量 由 电能转 换 为机 械 能 时 ， 可 实现驱 动功 能 ； 械能 转换 为 电能 时 ， 振 动器 可 实 机 则
件 要实现 自感 知 功 能 ， 敏 感 材 料 必 须对 能量 的转 换 其
制， 因为传 感 器 的测 试 点 和控 制 信 号 的 作 用 点 是 同一
点。（ ）从系统性能角度看 ， ３ 测量和控制综合考虑， 突 出了能量 流和信 息流 的集 成 ， 化 了系 统设 计 ， 优 由于 附 加 质 量 的 减 少 ， 统 响 应 速 度 加 快 ， 统 性 能 提频率处则其工作效率最高， 但南于受到负载、 温度等因素的影响， 其谐振频率往往会
发生漂移 ， 为了实现对振动系统１ 作频率的 自动调 节 ， 二 提高系统 的工作 效率 ， 出采用搜索振动 系统速度 阻抗 的方法 ， 提 在 无需安装检测谐振 频率传感器 的条件下 ， 实现振动 系统谐振工 作点 的 自感知 ， 并能快 速 、 方便 地 自动跟踪 系统的谐振频 率 。设计了超磁致伸缩振动器 ， 并给出了振动器机械阻抗 的表达式 ； 在分析超磁致伸缩材料磁 一机耦合关系的基础上 ， 建 立 了超磁致伸缩振 动系统 的速度 、 阻抗及所受外力 的 自感知模型 ； 在研制 的实验 系统上 ， 验证 了振 动系统谐振频率 自感知 方法 的可行性 与正确性 。