超磁致伸缩换能器磁棒磁场及应变的数值仿真

研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响.结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著.结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义.     

Fe-Ga窗式换能器结构设计与分析

针对目前换能器工作效率低,结构性差等问题,设计了一种以Fe-Ga材料为核心的窗式换能器。搭建实验平台对窗式换能器中的核心元件Fe-Ga材料进行磁特性测量,绘制了Fe-Ga材料在不同频率下的磁滞曲线,计算了对应的磁损耗、矫顽力以及剩磁的大小,构建了变幅杆的理论模型,以变幅杆纵振波动方程为基础,通过理论计算,推导了变幅杆的谐振频率、位 移节点、放大倍数。最后通过COMSOL多物理场有限元软件对换能器建立了仿真模型,通过磁－力耦合对换能器进行了频域和时域仿真,得到了换能器的谐振频率、位移大小以及应力分布情况,通过仿真验证了换能器理论计算的准确性,为下一步的换能器制作提供了有效的指导作用     

GMM换能器的设计优化

以超磁致伸缩材料(GMM)Terfenol--D为主动材料的换能器的性能可以通过改善驱动线圈和GMM的形状,选择合适的材料进行优化.对于尺寸有限制的微型换能器,本文用matlab分析了磁场与线圈内径和漆包线线径之间的关系,提出了提高线圈的磁场生成能力的方法;仿真了能量转换效率与GMM棒的外径和它的内外径比值之间的关系,提出了提高线圈能量转换效率的措施;分析了如何提高GMM的有效磁通量、减小涡流损耗的方法.用ANSYS软件对三种换能器的材料组合进行磁通量分布的有限元仿真,确定了换能器材料选择的规律.多个换能器的对比实验验证了此优化设计方法的正确性.     

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能.基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析.为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀.实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度.     

考虑磁场分布的精密磁致伸缩驱动器的涡流损耗特性研究

为了准确的计算棒状超磁致伸缩材料GMM(Giant Magnetostrictive Materials)的涡流损耗特性、提高控制超磁致伸缩执行器的位移精度,建立了考虑集肤效应的GMM棒涡流损耗模型.首先从麦克斯韦方程入手,推导出了棒状GMM的传统涡流损耗公式,接着讨论了集肤效应对于GMM棒内部磁场分布的影响,建立了考虑集肤效-应的棒状GMM涡流损耗公式,最后通过comsol多物理场有限元数值分析法及实验分析了GMA的温度特性.通过与传统涡流损耗对比可知,在低频时两种方法得到的结果基本一致,而在中高频时考虑集肤效应的涡流损耗公式可以更加准确的计算棒状GMM的涡流损耗.研究成果对提高GMA的控制精度、推进涡流损耗的研究具有重要意义.     

铁镓合金电磁损耗分析

铁镓合金电磁损耗分析是高频铁镓合金导波激励装置、超声换能器以及振动主动控制结构的研究基础,因此分析铁镓合金在高频（磁场频率50kHz~400kHz）情况下的电磁损耗至关重要。本文采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了环形铁镓合金在不同情况下的磁滞回线：相同磁场强度下不同交变励磁磁场频率、相同交变励磁磁场频率下不同磁感应强度、相同磁感应强度下不同交变励磁磁场频率。分别分析了上述情况下环形铁镓合金振幅磁导率变化规律以及介质储能和电磁损耗的变化情况。实验结果表明,在相同磁场强度为400A/m时,励磁磁场频率由1kHz~200kHz,振幅磁导率下降了53.68%,电磁损耗增加了283倍;在相同励磁磁场频率100kHz时,磁感应强度由0.01T~0.05T,振幅磁导率增加了33.55%,介质储能与电磁损耗分别增加了18.13倍和25.97倍;在相同磁感应强度为0.05 T时,励磁磁场频率由50kHz~400kHz,振幅磁导率减小了39.73%,电磁损耗增加了16.9倍。此项研究为高频铁镓合金换能器设计与优化提供了实验数据基础。     

压应力下铁镓合金动态磁滞曲线的测试与分析

铁镓合金的磁滞特性和电磁损耗是材料应用的基础。基于安培定律和法拉第电磁感应定律设计了一套简易的测试装置,运用该装置准确地测试了铁镓合金棒在不同磁场频率和压应力下的磁滞曲线,分析了矫顽力和电磁损耗的变化情况。结果表明,铁镓合金棒在恒定的压应力作用下,随着磁场频率的增加,磁滞曲线面积增大,矫顽力和电磁损耗增大,铁镓合金棒在恒定的磁场频率下,随着压应力增大,磁滞曲线面积减小,矫顽力和电磁损耗增大。     

偏置磁场对Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器性能的影响

利用Fe-Ga合金应变大、驱动简单和磁机耦合系数高的优点制成的Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器是一种新型导波 检测装置,为提高传感器的换能效率,结合Fe-Ga合金材料的非线性本构关系,并且通过实验测量Fe-Ga合金材料的静态特性,初步得到了 Fe-Ga合金材料工作的最佳磁场强度范围,将Fe-Ga合金材料的非线性本构关系耦合到导波传感器中,建立了 Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器激励、传播、接收的模型。通过分析传感器永磁体的提离效应,得出最佳提离距离为2.5ｍｍ,通过对接收电压及应变的分析,得到了传感器的永磁体剩余磁场强度为 1.0Ｔ,选取非均匀分布的静态偏置磁场大小为1.0Ｔ,提离距离为2.5ｍｍ,仿真计算得到接收端的电压峰值为 0.15Ｖ。     

采用复合磁电换能器的振动能量采集器研究

采用Teffenol-D/PZT/Terfenol-D复合磁电换能器,设计了一种新型振动能量采集器.采集器由悬臂梁、磁电换能器和永磁体三部分组成,环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起Tedenol-D产生应变,应变传递到PZT得到电输出.采用等效磁荷理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力;并用林滋泰德-庞加莱法分析了永磁体的非线性运动情况.实验结果表明,在振动激励频率为33 Hz,加速度为0.5 gn时,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1μW.     

激励磁场对逆磁致伸缩索力传感器影响仿真

基于钢缆索索力传感理论模型和环式结构的索力传感器,对索力测量原理做了详细推导,传感器输出感应电压与激励磁场变化、加载外力变化、某一激励磁场下的材料磁导率及空气间隙尺寸等有关.重点分析了激励磁场变化对传感器输出的影响,分别在激励磁场为稳恒直流磁场、交流磁场、按矩形波规律变化磁场三种情况下对传感器输出进行了讨论和仿真分析.仿真结果表明,在稳恒磁场激励下,可通过感应积分电压求缓变外力,通过感应电压求得非缓变外力.在交流激励下.激励磁场频率对传感器输出有明显影响,频率越高,由激励磁场变化所引起的感应电压幅值越大.     

液压阀电涡流位移传感器的研究

检测液压阀芯位移的耐高压差动变压器式位移传感器频响低,不能满足高频响液压阀的需要,电涡流位移传感器不耐高压,且温度漂移严重难以在液压阀中使用,提出一种新型耐高压电涡流位移传感器的结构,建立了数学模型,进行了理论分析和磁场有限元仿真工具进行了仿真;理论分析和实验结果表明:该位移传感器具有良好的线性、工作量程大,可有效应用于高压环境下阀芯的位置检测。     

基于ARM的超磁致伸缩微驱动器的偏置与驱动电路设计

超磁致伸缩微驱动器的工作主要需要提供一个可控的偏置磁场和驱动磁场,前者使超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性得到优化,消除倍频效应,后者实现对微驱动器的输出位移控制;设计一个可控电流源,采用悬浮负载功率放大恒流电路,并通过ARM处理器的数模控制,使指定电流通过电磁线圈以产生所需磁场强度;该设计的可控电源,可输出最大±5A的电流,提供给偏置和驱动线圈,实现微驱动器的直观、灵活的控制。     

Improving the efficiency of magnetic coupling energy transfer by etching fractal patterns in the shielding metals

Thin metal sheets are often located in the coupling paths of magnetic coupling energy transfer (MCET) systems. Eddy currents in the metals reduce the energy transfer efficiency and can even present safety risks. This paper describes the use of etched fractal patterns in the metals to suppress the eddy currents and improve the efficiency. Simulation and experimental results show that this approach is very effective. The fractal patterns should satisfy three features, namely, breaking the metal edge, etching in the high-intensity magnetic field region, and etching through the metal in the thickness direction. Different fractal patterns lead to different results. By altering the eddy current distribution, the fractal pattern slots reduce the eddy current losses when the metals show resistance effects and suppress the induced magnetic field in the metals when the metals show inductance effects. Fractal pattern slots in multilayer high conductivity metals (e.g., Cu) reduce the induced magnetic field intensity significantly. Furthermore, transfer power, transfer efficiency, receiving efficiency, and eddy current losses all increase with the increase of the number of etched layers. These results can benefit MCET by efficient energy transfer and safe use in metal shielded equipment.     

基于Ansys有限元法的电涡流位移传感器分析

为了满足磁悬浮飞轮系统高精度的位置检测要求,必须进行传感器性能的分析与设计。从涡流传感器的原理出发,利用Ansys软件进行有限元建模仿真,得到涡流传感器的阻抗与检测距离的关系,从而可得到经过测量电路后的输出电压受位移变化的影响。按照线圈仿真模型和电路中各元件的参数制成实际的传感器线圈检测回路,实验结果与仿真结果的一致性表明:基于Ansys的有限元分析法对涡流传感器设计有重要指导意义。     

用于磁轴承位移检测的数字式电涡流位移传感器设计与实验研究

磁轴承是磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺的核心部件,在空间应用中的体积、重量、功耗等都有严格要求.现有的用于磁轴承位移检测的非接触式传感器输出大多是模拟信号,每个检测点都需要单独的信号线进行传输.这导致系统的体积、重量、复杂度增加,可靠性降低,抗干扰能力减弱.针对这一问题,提出了一种数字式电涡流位移传感器,它根据调频式的...     

激励电流对超磁致伸缩换能器动态特性的影响

本文研究了不同激励电流脉冲宽度对超磁致伸缩换能器输出位移动态特性的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立了超磁致伸缩换能器的二维轴对称有限元模型。通过压磁-压电比拟法,对不同激励电流脉冲宽度下不同发射头质量的超磁致伸缩换能器输出位移动态特性进行了模拟研究。结果表明:激励电流脉冲宽度大小不仅直接决定超磁致伸缩换能器瞬态输出位移的大小,而且决定超磁致伸缩换能器的最佳工作状态。此研究结果为超磁致伸缩换能器的优化与应用奠定了基础。     

汽轮机轴向位移、胀差的安装与调试

用电涡流位移传感器代替传统的磁电式传感器,作为汽轮机轴向位移,胀差的测量保护,以获得更好的线性度和抗干扰能力。研究电涡流传感器探头的选型,安装方式的选定,测量信号的屏蔽和接地,安装间隙、零位及安装方向的确定。结果表明,用电涡流位移传感器代替传统的磁电式传感器,具有测量稳定,故障率低,机组运行可靠的特点。电涡流位移传感器是现代大型发电机组汽轮机轴向位移,胀差测量和保护的首选仪表之一。