磁致伸缩换能器位移输出仿真实验分析

磁致伸缩换能器位移输出仿真实验分析

汪建新，晋 康，常云龙，阚小美

 

 

 

1 引言

       作为人类近三十年来的重大发明，热声制冷机的工作原理是利用热声效应将热量由低温搬移至高温，是一类在解决能源及环境问题方面具有广阔前景的制冷设备。所以为热声制冷机开发一款强力发声器对于其制冷量的增大和制冷效率的提高具有重大意义。磁致伸缩换能器是一种将电磁能转换为机械能或声能的器件，是一个高效的机电转换装置[2]。磁致伸缩换能器的核心部件是T-D 材料，它具有磁致应变量大、驱动电压低、机-电耦合系数高及响应速度快等优点。利用 T-D 材料的 ΔE 及阶跃效应，可以通过改变其两端偏置磁场和预应力的大小来调节 T-D 材料棒的杨氏模量和磁致伸缩率，从而使其可以调节换能器获得最大位移输出时的频率，带动换能器产生强力声能量。

       在国外 H all 建立了 T-D 棒执行器的线性振动模型[6]，模型将 T-D 棒视为线性弹簧，建立了执行器的阻抗模型，描述了耦合系数、负载磁导率等的变化. Dapino 等则采用结构-磁应变耦合模型从能量角度出发对 T-D 材料执行器建立了完整的模型[7]。在国内，文献[8]则通过压磁一压电比拟法，实现了借助 ANSYS 压电耦合求解功能来分析计算磁致伸缩型换能器的电声转换问题。但上述几种模型无法考虑到 ΔE 效应和阶跃效应对 T-D 材料棒固有频率及其输出位移的影响。文献[8]使用 ANSYS 的压磁比拟法近似的分析计算磁致伸缩材料的机-电耦合问题也存在较大误差。进一步限制了以 T-D 材料棒为驱动元件的磁致伸缩换能器的优化工作。

       使用的软件 ATILA 是法国 ISEN 公司开发的一套设计主被动声呐系统的有限元分析软件。已先后被美国、法国、德国等海军研发部门采用。现已发展成一款专门用于分析各种功能材料和换能器的有限元分析软件。可对磁致伸缩材料进行将 ΔE 效应及阶跃效应考虑在内的多场耦合分析。

2 弹性柱体纵向振动理论分析

       考察柱体纵向振动时，假设柱体的横截面在振动时始终保持为平面，并且略去柱体纵向伸缩引起的横向变形。由磁致伸缩换能器的原理可知，正常工作时 T-D 材料棒在线圈的交变磁场激励下做伸缩振动。为获得最大振幅和最高的电机转换效率，希望 T-D 材料棒能在一阶纵向振动共振频率下工作。但是针对 Terfenol-D 材料棒的弹性模量会随着自身的磁化状态发生改变的特点（ΔE 效应），由常规棒体材料推导出的对固有频率和固有模态的分析无法将其材料的这种特点考虑进来。且长期以来一直缺乏磁致伸缩材料专业模块，无法完成该材料的磁-机耦合分析。为解决这一问题，利用有限元软件 ATILA采用数值模拟方法分析 T-D 材料棒在不同边界条件下的一阶固有纵向振动对应频率及线圈磁场激励下的位移输出曲线，为合理确定换能器内 T-D 材料棒的工作环境提供依据。

3 辐射板在T-D 材料棒各边界条件下输出位移数值仿真

3.1 磁致伸缩换能器有限元模型的建立

       根据实验室的磁致伸缩换能器在 ATILA 的前处理模块中建立有限元模型。换能器外壳及辐射板材料为钢，线圈所在区域为空磁区域，相对磁导率为 1。从材料库中选取TEDYFE 材料赋予 T-D 材料棒，并在其两端添加永磁体为 T-D材料棒提供偏置磁场。选取线边界条件内的应力选项施加在 T-D材料棒两侧，为 T-D 材料棒提供预应力。

3.2 T-D 材料棒边界条件的确定与施加

       T-D 材料性能特别。随着偏置磁场的增加，其产生同样的应变所需要的应力会增大。而应变较大时，施加偏置磁场的 T-D 材料杨氏模量会降低。T-D 材料棒的磁致应变曲线。为分别考察 ΔE 效应和阶跃效应及两者叠加时对 T-D 材料棒一阶纵向振动固有模态及其输出位移的影响，采用控制变量的方法结合曲线为换能器中 T-D 材料棒两端施加（0MPa、0KA/m）、（0MPa、50KA/m）、（24MPa、0KA/m）、（30MPa、100KA/m）四组边界条件进行分析。以为换能器磁棒的性能优化提供依据。

3.3 换能器辐射板“激励频率-输出位移”仿真分析

       取磁致伸缩换能器辐射板上端面为观察对象，得到其在四组边界条件下的“激励频率-输出位移”曲线，如图 3 所示。观察图3 中各边界条件的位移曲线可以发现，不同边界条件下出现位移最大点的频率不同。第②组边界条件相比第①组最大位移对应频率增大。这是由于施加了偏置磁场后，T-D 材料棒由于 ΔE 效应的存在，致使 T-D 材料棒的杨氏模量向增大的方向发生了偏移。而一阶纵向振动固有频率与杨氏模量的平方根成正比，所以一阶纵向振动对应频率出现了增大的情况。而对比第①组与第③组边界条件发现，当对 T-D 材料棒两端施加预应力后使其最大位移即一阶纵向振动对应频率出现了减小的现象。这是因为预应力的加入使得磁棒在外形尺寸不变的情况下，材料内部的小磁畴重新分布导致材料在轴向上变的疏松所致。第④组边界条件分析了偏置磁场耦合预应力时对一阶纵向振动固有频率的影响，发现两者共同作用使得 T-D 材料棒一阶纵向振动对应频率大幅减小至17346Hz，而且最大位移也从第②组最小的 78μm 增大到 672μm，变化范围达到 8.62 倍。位移的大幅增加在于预应力的增加使得T-D 材料棒的磁致伸缩率（d33）及磁-机耦合因数（k33）都大幅增加所致，既磁棒利用了更多的线圈磁场提供的能量。第④对照组证明通过施加不同偏置磁场和预应力调节一阶纵向固有频率以及磁棒输出位移大小是可行的。但是由于超磁致伸缩材料的特殊性，其机电磁等相关理论还在进一步完善当中，所以需要进行实验以验证模拟结果的准确性。

4 磁致伸缩换能器位移输出测量实验

       为真实考察换能器中处于各种边界条件下的磁棒在线圈交变磁场激励下的最大位移大小及其是否出现在各自边界条件对应的一阶纵向振动频率周围，需要利用实验室设备实际测量对应磁棒各边界条件的换能器辐射板的位移输出。由于实验室中换能器内磁棒采用了粉末粘接的制作工艺，导致其容易因过强的涡流发热造成失效。而除第④组以外的三组边界条件对应的一阶纵向振动都超过了 34000Hz，在这种频率下会使磁棒在短时间内既被破坏。所以实验只针对第四组即（30MPa、100KA/m）边界条件进行验证。实验室换能器辐射板位移测量系统，如图 4 所示。该系统由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩换能器、双踪数字示波器、 KD-300 光纤传感器等组成。

       系统的工作原理为信号发生器产生一定频率的信号经功率放大器放大后接入磁致伸缩换能器的激励线圈。通过改变激励线圈中电流强度及频率来改变线圈产生的磁场大小及频率，达到控制磁致伸缩换能器位移输出的目的。在电路中串联电流表显示通过线圈的电流大小。利用光纤传感器测量磁致伸缩换能器的位移输出，并通过示波器将位移输出显示出来。试验及软件模拟仿真得到的“线圈激励频率-辐射板位移” 曲线。两曲线中典型频率对应的位移输出值由表一所示。两条曲线吻合良好，由实验测得的出现最大位移的一阶共振频率位于模拟结果对应值的附近，且在辐射板输出位移上只出现了 64μm 的偏差，偏差率为 9.5%。观察表 1 中的数据发现，随着频率的增加，实测位移值较各频率对应的模拟值差值愈发增大，即实测数据的增幅较之模拟数据要小。这是由于随着换能器激励线圈频率的增加，超磁致伸缩材料在高频磁场下，有效磁场集中在材料的表面而难以到达材料的内部，形成集肤效应，产生的涡流损耗效应较为显著，材料表面形成的涡流造成材料内部发热，并降低了器件的输出能力，但 ATILA 软件并未将温度对超磁致伸缩材料的输出影响考虑在内所致。

5 结论

（1） 预应力影响杨氏模量大小的同时对 T-D 材料棒的磁致伸缩率也有很大影响。T-D 材料棒的磁致伸缩率会随着预应力的增大而增大。所以可以通过施加不同大小的预应力来获得大位移输出。

（2）可以通过为 T-D 材料棒施加不同的边界条件来实现 T-D 材料棒一阶共振频率出现在期望的频率范围内。

（3）当激励强度保持不变时，利用共振原理可以大幅提高磁致伸缩换能器的输出位移，且放大倍数大于常用的磁致伸缩换能器变幅杆。

（4）高温会降低 T-D 材料棒的输出性能，在实际使用过程中因注意其散热工作。

 

 

 

 

本文章转自爱学术，如有侵权，请联系删除