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超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究.pdf
第37卷第l期 振动、测试与诊断 V01．37No．1
2017年2月 Feb．2017
JournalofVibration，MeasurementDiagnosis
超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究。
蔡万宠， 冯平法， 郁鼎文
(清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室北京，lo0084)
摘要为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅，基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理，建立了饱和
磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念，建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论
模型。以超声换能器输出振幅最大为目标，提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实
验结果表明：随着预应力的增大，磁致伸缩平均灵敏度存在极大值，该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的
超声振幅，由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对
超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义，有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。
关键词超磁致伸缩换能器；预应力；磁致伸缩灵敏度；振幅
中图分类号 TG663；TH89
材料饱和磁致伸缩系数的作用机理，得到预应力对
引 言 饱和磁致伸缩系数的影响规律。建立磁致伸缩灵敏
度的数学模型，推导出磁致伸缩灵敏度是预应力的
旋转超声加工在硬脆难加工材料领域表现出特 单值函数，提出以磁致伸缩平均灵敏度最大化为目
殊的优势，超声频机械振动可以有效提高高硬度、大 标的最佳预应力值确定方法，以获得一定大小驱动
脆性材料的加工效率和加工表面完整性口。4]。超磁 磁场强度下的最大振幅输出。通过实验得到不同预
致伸缩材料(giant material，简称
magnetostrictive 应力下的磁致伸缩曲线，并拟合得到磁致伸缩平均
GMM)具有磁致伸缩系数大、功率容量高和响应速灵敏度与预应力的关系模型，验证了最佳预应力确
度快等优点，已成为超声换能器致动材料的新研究 定方法的可行性。
点[5_6]。超磁致伸缩材料的振动特性与其所受的预
应力和偏置磁场大小有密切关系，合适的预应力可 1预应力对饱和磁致伸缩系数和磁致
以提高材料的磁致伸缩系数，增大一定幅值交变磁
伸缩位移灵敏度的作用机理
场驱动下的超声振幅，是大功率超磁致伸缩换能器
的研究重点口]。Calkins等[71通过实验得到了不同
1．1饱和磁致伸缩系数模型
预应力下超磁致伸缩材料的磁致伸缩曲线，提出了
最佳偏置磁场强度的确定方法。Bomba等[81对不由weiss理论可知，超磁致伸缩材料由很多自发
同预应力和温度条件下的超磁致伸缩换能器的磁致 磁化的磁畴组成，磁畴沿其易磁化方向磁化，并沿其
伸缩特性及能量损耗特性进行了实验研究，表明预 磁化方向自发形变。在外磁场的驱动下，磁畴磁化强
应力对磁致伸缩系数和磁致伸缩能量损耗有显著影 度方向朝外磁场方向转动，导致材料沿外磁场方向形
变。如图1所示，自由状态下，磁畴磁化强度方向随
响。Dapino等[93建立超磁致伸缩换能器的磁机耦
合模型，研究了应力场和磁场的耦合相互作用。 机分布，外加预应力盯引起磁畴沿垂直于轴线方向偏
目前，实际应用中关于预应力的确定方法一般 转，导致材料
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