超磁致伸缩振动器谐振频率自感知机理研究

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1、万方数据第29卷第3期振动与冲击JOURN^T．OFVIBRATIONANDSHOCKV01．29No．32010超磁致伸缩振动器谐振频率自感知机理研究徐爱群1’2，宋小文1，胡树根1(1．浙江大学机械与能源T程学院，杭州310027；2．嘉兴学院机械丁程学系，嘉兴314001)摘要：振动系统T作在谐振频率处则其工作效率最高，但由于受到负载、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丁作频率的自动调节，提高系统的工作效率，提H{采用搜索振动系统速度阻抗的方法，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

2、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。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：TP274．5文献标识码：A振动器广泛应用于工业现场中，如振动切削、振动焊接以及振动时效处理等，振动器的主要类型有电磁式、机械式、液压式及超磁致伸缩式等。在振动切削过程中一般需工作在谐振状态，此时能量转换效率较高，但振动切削系统各个部件在材料

3、、制造等方面存在误差，单个部件的声学误差会对整个组合系统产生影响，温度、负载以及振动系统本身的机械磨损等冈素，谐振点往往会发生变化，很难使整个振动切削系统实现谐振工作，很有必要对整个切削系统的谐振频率进行跟踪，以保证系统输出能量最大⋯。目前，频率跟踪的方式有很多，如：跟踪系统的最大电流、最大功率、相位、最大导纳等旧。4J。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，使之等于振动系统的谐振频率，则系统的振幅最大，从而可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，器件要实现自

4、感知功能，其敏感材料必须对能量的转换是双向可逆的，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，换能器能实现能量的双向可逆转换是自感知理论的物理基础一’61。Garcia和Jones[J列给出自感知的定义为：“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，且敏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。基金项目：浙江省教育厅科研资助项目(20070615)；嘉兴学院重点科研项目(70108003)；

5、嘉兴市科技计划项目(2008BY9013，2009AY2009)收稿13期：2009—02—16修改稿收到日期：2009—03—19第一作者徐爱群男．博士后，副教授，1968年生通讯作者宋小文女，副研究员，1967年生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；机械能转换为电能时，则振动器可实现感知功能。若利用超磁致伸缩振动器的自感知功能，感知得到振动系统的谐振频率，则可实现无传感器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，可使被控制对象减小体积，降低重量，结构紧凑，增

6、加设计的自由度，降低安装难度。(2)从控制角度看，自感知振动器可以实现真正的同位控制，因为传感器的测试点和控制信号的作用点是同一点。(3)从系统性能角度看，测量和控制综合考虑，突出了能量流和信息流的集成，优化了系统设计，由于附加质量的减少，系统响应速度加快，系统性能提高显著卜11

7、。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、工作频率高及耦合系数大，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，超磁致伸缩振动器结构如图1所示。超磁致伸缩棒长度取决于系统工作振幅、速度和行程的要求；棒的横截面面积取决于输出力的大小；超磁致伸缩材料的电阻率较低

8、，在交变的磁场下会产生明显的涡流损耗，需要对棒进行纵向切片叠层处理；驱动磁场由交变电流通过螺线管产生；偏磁场用于消除倍频现象，可由通直流电的线圈或永磁体产生偏磁场；由碟簧产生预应力，以增加振动器的输出位移：12,131。2谐振工作点的表征振动系统工作时，当工作频率在，附近变化时，若在^=fr—Af和五=S-+af处相应的振幅均比，处的振幅小，那么可以确定，就是系统的谐振频率。由于系统的振动响应量，可以是位移、速度和加速万方数据第3期徐爱群等：超磁致伸缩振动器谐振频率自感知机理研究zt=F／考球=考／F、Z’=F／t)砰=”／F、0I、)Zo=F／aHa=G／F

9、lx=0x=l图2振动器结构动力学模型