考虑预应力的双励磁线圈 铁镓换能器输出特性

为了研究铁镓换能器在不同频率磁场下的输出变化规律,设计一种双励磁线圈的铁镓换能器,分析不同预应力下的静态和动态输出特性。研究不同频率下的磁滞特性,通过磁场能和机械能之间的转换关系,确定不同预应力下输出机械能和频率的关系。结果表明:同一预应力下,静态应变和输出位移随着磁场的增大先逐渐增大后趋于饱和;同一频率下,静态应变和输出位移随预应力的增加先增加后减小,在2MPa时输出位移数值最大。同一预应力下随着频率的增加,动态输出位移最大值逐渐减小;同一频率下随着预应力的增加,最大位移值先增加后减小。同一频率下在预应力为2MPa时磁机械耦合系数最大,输出机械能最大;同一预应力下输出机械能随着频率的增加先增加后减小,之后又逐渐增加。     

棒状铁镓合金磁特性测试装置的设计与实验

磁致伸缩水声换能器作为电-机械-声能量转换器件是声呐系统中重要的大功率电磁装置，其核心驱动元件铁镓合金棒需工作在高频（f>1 kHz）激励条件下，为对此类高频大功率磁致伸缩器件的优化设计提供指导，需要准确测试棒材的高频磁特性。以往的测试装置由于高频激励时导磁回路铁损大、励磁回路电阻抗高以及棒材磁导率低等特点，难以保证铁镓合金棒内获得均匀且数值较高的磁通密度。该文基于电磁场理论设计了一种棒状铁镓合金高频高磁通密度磁特性测试装置，首先根据电磁损耗机理选择高频磁心材料并利用参数化扫描的方法优化其尺寸参数，在此基础上，建立三维有限元模型仿真计算棒材内部磁场大小及分布；然后以提高电磁转化效率为目标，设计测试装置的电路部分并依据串联谐振原理进行阻抗匹配；最后制作样机并进行实验测试。结果表明，该测试装置在1 kHz下，磁通密度幅值最高可达0.89 T，比常用的AMH-1M-S动态磁特性测试仪（最高可提供0.1 T磁通密度幅值）提高约9倍，且操作简单、稳定可靠。     

不同磁致伸缩材料的高频磁能损耗分析与实验研究

该文引入小磁滞回线下磁能损耗数学模型,使用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了Fe-Co-V、Terfenol-D与Fe-Ga合金样品的高频磁滞回线,利用实验测试结果结合数学模型对比分析了三种材料的磁导率幅值、介质损耗因数、介质储能和电磁损耗变化规律。当励磁磁场频率为50kHz时,随着磁感应强度的增加,Terfenol-D和Fe-Ga合金的介质损耗因数近似线性增加,三种合金样品的电磁损耗均增大。当磁感应强度为0.03T时,随着励磁磁场频率的增加,Fe-Co-V、Fe-Ga合金磁导率幅值都先增大后减小,Terfenol-D合金的介质储能增加最快并且其电磁损耗随频率增速最快。在1～40kHz内Fe-Ga合金的电磁损耗高于Fe-Co-V合金,在40～60kHz内Fe-Ga合金电磁损耗低于Fe-Co-V合金。该文结果为磁致伸缩材料的电磁损耗分析与高频器件设计提供了依据。     

静态偏置磁场强度对铁磁材料电磁超声换能机制的影响

铁磁材料具有磁致伸缩效应,因其磁化具有非线性特性导致其电磁超声换能机制变得复杂。分析不同磁场强度下铁磁材料中电磁超声换能机制的主导因素有利于提高电磁超声换能器(EMAT)的换能效率及信噪比。该文建立了铁磁材料电磁超声Lamb换能器的仿真模型,研究了洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力随外加磁场的变化规律。通过对比洛伦兹力作用下位移、磁致伸缩效应作用下位移和综合作用下总位移来分析影响换能机制的主导因素,并进行了实验研究,实验测得的质点位移、波速与仿真结果一致。研究结果表明,在弱磁情况下,磁致伸缩效应占主导作用;当铁磁材料接近磁饱和时,洛伦兹力逐渐增大并起主要作用;铁磁材料在达到磁饱和后,磁致伸缩效应引起的应变很小且几乎不再改变。     

变温条件下TbDyFe合金高频磁特性和损耗特性分析

超磁致伸缩材料TbDyFe合金具有温度敏感特性,该文测量变温条件下TbDyFe合金在不同频率f和磁通密度幅值Bm时的动态磁特性曲线,结果表明,当励磁磁场频率f和磁通密度幅值Bm一定时,随着环境温度的升高(从10℃增加到80℃),振幅磁导率逐步增加,动态磁滞回线横向变窄,所需磁场强度减少,磁能损耗也逐步减少。在此基础上,针对现有损耗计算模型无法对温度进行有效表征,而导致损耗计算结果误差较大的问题,提出一种变温条件下磁致伸缩材料的高频损耗计算模型,模型通过引入温度有关项对损耗系数进行修正;并且综合考虑高频磁滞特性和趋肤效应的影响,引入损耗附加磁通密度项及损耗附加频率项,从而建立可以有效考虑温度效应的改进损耗计算模型,通过多组测量值及计算值的对比结果验证了该模型的准确性和可行性。     

环形Fe-Ga合金动态磁导率和损耗分析

Fe-Ga合金的动态磁导率和损耗是研究Fe-Ga合金器件设计和应用的基础。为了研究高频Fe-Ga合金传感器,首先需要分析Fe-Ga合金的动态磁导率和损耗。该文建立了环形Fe-Ga合金动态磁导率和损耗模型,并采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了不同磁场频率下Fe-Ga合金弹性磁导率、黏滞性磁导率和损耗因数曲线,利用阻抗分析仪测试环形Fe-Ga合金的电阻和电感,通过模型计算出不同频率下的环形Fe-Ga合金的弹性磁导率和黏滞性磁导率,分析了弹性磁导率和黏滞性磁导率随磁场频率的变化情况。结果表明,随着磁场频率增大,弹性磁导率先下降后升高,黏滞性磁导率不断升高,模型计算结果与实验结果一致。损耗因数随着磁场频率的增加先增加后降低最后趋于平稳。电磁损耗和介质储能随着磁场频率的增加逐渐增大。     

悬臂式铁镓合金振动能量收集的存储方法

基于悬臂式铁镓合金的动力学模型、等效电路模型和伏安特性建立悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压和输出功率模型,设计能量存储电路,搭建了铁镓合金振动能量收集装置实验平台。实验结果表明,在67Hz固有频率、外接17Ω负载时,样机的最大输出功率为116mW,对应的功率密度约为271μW/cm3;电压智能调解电路的最大输出电压可保持在5.1V,且可为锂电池提供4.18V的充电电压,实验验证了振动收集装置的输出电压经过所设计的能量存储电路可有效地为超级电容器和锂电池充电,实现对能量的存储;样机可持续点亮LED灯和数码管,进一步证明了文中涉及的振动收集装置及存储电路的有效性,并为其在无线传感器节点供电中的实际应用提供了基础。     

基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器径向磁场仿真分析

为放大超磁致伸缩致动器的位移,设计了位移传递机构以叠加致动器中超磁致伸缩棒和筒的输出。针对该致动器中棒和筒的径向磁场分布,基于有限元法建立了磁场强度的计算电磁学模型,并利用ANSYS软件进行了仿真。通过仿真得到棒和筒上任一点磁场强度值,选取多个截面的磁场强度进行平均计算,得到近输出端、近底座端和中间部位三处不同位置的磁场径向分布规律及位移传递机构相对磁导率对它的影响。研究结果对于位移传递机构材料选择具有重要的意义。     

换能器式波发生器驱动的压电谐波电机设计与分析

提出一种新型压电换能器式波发生器驱动的压电谐波电机。首先研究新型压电谐波电机的结构及工作原理。然后进行压电换能器波发生器的设计,设计两级变幅杆压电换能器的结构以及两级杠杆式位移放大机构。最后利用有限元分析软件Ansys,进行压电波发生器的输出位移分析,通过有限元模态分析,获得压电换能器的纵振模态及振动频率,瞬态分析获得压电换能器变幅杆前端质点的最大位移,在此基础上,通过位移放大机构的静力学分析,获得压电波发生器的最大输出位移,结果显示该位移能够满足柔轮的弹性变形需求。     

横波电磁超声相控阵换能器设计

针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题,采用有限元方法仿真分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律,据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。研究表明,横波位移分布受频率影响较小,但受阵元宽度影响明显。其中,0.2 mm阵元宽度激发产生的横波在±35°范围内位移分布平稳,随着阵元宽度的增加,横波能量朝向0°位置聚集。考虑到平稳位移分布更有利于保证相控阵换能器缺陷检测精度,因此采用0.2mm阵元宽度设计横波电磁超声相控阵换能器。此外,阵元间距选择和声束偏转角度控制的研究结果能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速、准确的指导。最后,实验验证了仿真模型的有效性。     

高 Q 值超低功耗谐振式磁传感器的设计与实现

针对现有谐振式磁传感器原理不能同时实现高品质因数(Q)和低功耗的缺点,利用双端固定石英音叉谐振器与铁镓磁致伸缩合金片复合,设计了一种隔离磁机阻尼的高Q值、数字频率输出的超低功耗谐振式磁传感器。利用音叉谐振器结构的解耦特性,设计应力耦合传递结构,隔离了磁致伸缩材料磁机阻尼,从而保证复合传感器Q值与音叉谐振器Q值相当。在磁场作用下,磁致伸缩力传递到音叉谐振器,由于音叉力敏感特性,实现磁-力-频率转换。制备了铁镓合金/石英音叉谐振器复合敏感结构,测试表明,在低气压封装条件下的品质因数约为16 764,门振荡电路功耗约为124.8μW,在线性区灵敏度为3.05 Hz/Oe,分辨率为6 mOe。     

粘结剂含量对(Pr0.8Tb0.2)(Fe0.4C00.6)1.88C0.05合金粘结样品磁致伸缩的影响

用HDDR工艺制备Tb0.2Pr0.8(Fe0.4Co0.6)1.88C0.05合金粉末,用不同的粘结工艺制备粘结样品,用电阻应变片方法测量样品的磁致伸缩性能.结果表明,对不同粘结剂配比的棒状样品,当模压压力为420MPa、粘结荆含量为8％、磁场强度为9 kOe时,样品的磁致伸缩最大(λa=533×10-8);随粘结剂的增加或减少,样品的磁致伸缩均降低;粘结样品的密度随粘结剂含量的增加而减少.     

粘结剂含量对(Pr_(0.8)Tb_(0.2))(Fe_(0.4)Co_(0.6))_(1.88)C_(0.05)合金粘结样品磁致伸缩的影响

用HDDR工艺制备Tb0.2Pr0.8(Fe0.4Co0.6)1.88C0.05合金粉末,用不同的粘结工艺制备粘结样品,用电阻应变片方法测量样品的磁致伸缩性能。结果表明,对不同粘结剂配比的棒状样品,当模压压力为420 MPa、粘结剂含量为8%、磁场强度为9 kOe时,样品的磁致伸缩最大(λa=533×10-6);随粘结剂的增加或减少,样品的磁致伸缩均降低;粘结样品的密度随粘结剂含量的增加而减少。     

磁场热处理对Fe-Cr-Co合金组织与性能的影响

本文系统研究了Fe-Cr-Co合金（2J85）在不同磁场强度下经过五种温度磁场处理后磁场强度和温度对合金微观组织和磁性能的影响，研究结果表明，磁场热处理温度为635℃时，在磁场热处理的各种磁场强度下合金均显示相对最佳磁性能，其中尤其以磁场强度为4000Oe时获得最高磁能积，即（BH）mx=6.63MGOe3,此外，本研究还显示，提高磁场热处理时的磁场强度，具有降低Fe-Cr-Co(2J85)合金对磁场热处理工艺敏感性的作用。     

螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型及实验

基于魏德曼效应和压磁效应建立了螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算了磁致伸缩位移传感器的输出电压。计算结果表明输出电压与螺旋磁场间存在线性关系。当激励磁场与偏置磁场均为3k A/m、螺旋磁场强度为4.24k A/m时,输出电压的计算值达到18.09m V,计算结果与实验结果的变化趋势一致,数值基本吻合,表明了建立的输出电压模型的正确性。基于建立的模型,可以确定传感器激励磁场与偏置磁场的范围,研究可为磁致伸缩位移传感器的优化设计提供理论基础与指导。     

铜包铝高频线圈损耗的理论计算方法

为了在无线电能传输系统中,减小因高频电流趋肤效应和邻近效应产生的电阻损耗,提高线圈电能传输的利用率,针对铜包铝(CCA)线圈建立了电阻计算模型,分析导线内部电磁场的变化规律,同时结合电磁场边界条件,分别得到趋肤效应和邻近效应产生的交流电阻的解析计算表达式,通过仿真计算发现,在高频趋肤效应的影响下,体积分数较小的CCA导线的电阻值较大,随着频率的增大,趋肤效应增强,不同体积分数CCA导线的电阻值将趋于一致。在外界交变磁场的影响下,当频率较低时,纯铜导线内部涡流损耗密度较高,纯铜导线电阻大于CCA导线电阻,随着频率的增大,存在临界频率使二者电阻相等;当频率继续增大时,CCA导线内部涡流损耗密度增加,其电阻值大于纯铜导线。CCA导线周围的磁场强度分布与导线及磁场施加角度?有关,当?值(0°~360°)不同时,磁场强度以螺旋上升方式分布。根据实测高频下CCA导线线圈的电阻曲线,对比解析理论计算电阻曲线发现,解析表达式可满足实际测试要求,对高频下CCA导线的线圈损耗分析具有一定指导意义。     

计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型

文中在Jiles—Atherton磁滞模型和换能器振动系统的结构动力学原理的基础上，考虑交流驱动时的涡流效应和应力状态的变化，建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。对换能器系统不同工作情况进行模型的仿真计算并与实验结果对比，发现模型与实验吻合较好。说明所建立的动态模型能较好地描述换能器系统输出应变与驱动磁场之间的关系。根据模型的计算结果拟合出了换能器系统的伯德图，用于指导对换能器系统进行频率跟踪控制。     

阳极加载稳恒磁场对PEMFC性能的影响

在工作面积为26.5 mm×26.5 mm的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阳极侧加载不同方向(与阳极侧平行、垂直)、不同强度(0、210、310、390 m T)的稳恒磁场,测出稳恒磁场源的磁场空间分布,得到在PEMFC阳极侧加载磁场对电池性能的影响。实验结果发现:一定强度范围内的磁场能够提高PEMFC的工作性能,但在不同磁场方向与不同磁场强度下,得到的PEMFC工作性能提高幅度有差异。当在PEMFC阳极侧加载垂直磁场时,其最大输出功率提高更大,平行磁场其次。当在阳极侧加载390 mT的磁场时,其PEMFC最大输出功率密度可以达到73.38 mW/cm~2。实验同时发现一定强度的加载磁场还可以提升PEMFC输出功率的稳定性。     

磁致伸缩致动器的输出位移与输入电流频率关系实验研究

针对设计的超磁致伸缩致动器(Terfenol-D 棒φ10mm×85mm)进行了实验研究,主要考虑具有偏置磁场和无偏置磁场时交流输入电流频率与位移输出特性之间的变化关系.通过对致动器建立纵向振动方程,计算得到谐振频率应在1.026～3.078kHz和1.660～4.980kHz范围内.同时实验结果表明谐振频率在2.2kHz附近,与理论分析一致.谐振时致动器的位移输出最大可达68μm,且输入输出为倍频关系.实验研究揭示了超磁致伸缩致动器的频率域输入输出特性,为致动器的优化与应用奠定了基础.     

非均匀磁场中磁流变液剪切应力实验与分析

为探究磁流变器件失效机理,用两块C型电磁铁耦合建立非均匀磁场。基于提拉法原理设计磁流变液剪切应力测量装置,得到非均匀磁场中剪切应力曲线。对比基于静态匀强磁场的圆筒剪切模型剪切应力理论曲线,发现虽然两者整体趋势一致,但同等磁场强度下两者剪切应力值存在不同程度差异,同时发现电磁铁气隙磁场也存在非均匀性。上述结论说明静态匀强磁场磁流变液剪切特性理论并不能直接应用到非均匀磁场剪切应力计算中,可能的原因包括铁磁颗粒体积分数的分布不均等,需要后续探索。