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。     

直流偏置对磁致伸缩材料高频动态损耗及磁特性的影响分析

直流偏置磁场会造成磁致伸缩材料磁滞回环的畸变与不对称,影响材料的损耗数值与磁滞特性,且现有的磁能损耗模型无法对变直流偏置磁场下的损耗进行准确的表征和计算,因此有必要研究直流偏置对磁致伸缩材料磁特性的影响规律及数学表述,这对提高大功率磁致伸缩器件的输出性能具有重要意义。该文在变直流偏置激励条件下,测试了Terfenol-D样品在不同交流激励频率和磁通密度幅值下的动态磁滞回线,发现了其变化规律并提取了损耗特性和磁滞特性参数;基于Bertotti损耗分离理论和实测数据,采用Levebverg-Marquard算法,建立计及直流偏置影响的磁致伸缩材料高频损耗计算模型,该模型采用多元参数回归方法,通过引入直流偏置相关项对损耗系数进行修正;多种工况下的损耗计算值与实验值对比分析表明了计及直流偏置影响的磁致伸缩材料高频动态损耗特性模型的准确性。     

Fe-Ga合金磁特性测试装置的设计与实验

设计了一种新型Fe-Ga合金磁特性测试装置。建立了该测试装置磁路部分三维有限元磁场分析模型,在该模型基础上通过调整结构和元件尺寸优化了磁路结构,并制作了样机。搭建了磁特性测试装置的实验平台,进行了Fe-Ga合金磁特性测试。实验结果表明,该装置可对Fe-Ga合金磁致伸缩棒材磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应进行静态、准静态和动态测量,测量结果与国外报道的结果一致。设计的磁特性测试装置具有稳定可靠、精度高、操作简单、自动记录等优点。该装置还适用于Fe-Ni、Fe-Co等饱和磁场低的磁致伸缩材料的磁特性测量。     

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。     

电—磁—机—声多场边界下的超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器设计方法

超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器是实现大功率低频水下声波发射的有效途径，在水下远距离探测、水声通信等领域具有广阔的应用前景。该文提出一种综合考虑材料电磁参数极限、空化边界条件以及最大主应力边界条件的大功率低频超磁致伸缩Ⅳ型弯张电声换能器优化设计方法。首先，根据超磁致伸缩材料的电磁参数极限确定振子棒材数量以及磁回路结构；然后，以频率、声源级为优化目标，机械壳体主要结构参数作为优化变量，结合有限元仿真构建基于Box-Behnken法的响应面模型，并把空化边界条件以及最大主应力边界条件作为优化方案的判据，最终得到优化的壳体结构参数；最后，基于优化设计方案，研制了一款超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器样机，并搭建了湖试实验平台。实验测试结果表明，在40 m水深下，研制的换能器样机谐振频率为480 Hz，最大声源级达到206 dB，验证了设计方法的可行性与准确性。     

非晶合金铁心损耗与磁致伸缩特性测量与模拟

针对电力机车对中频变压器低损耗、低噪声的设计要求,该文对中频变压器用铁心材料非晶合金的损耗与磁致伸缩特性开展深入研究.模拟中频变压器的实际工作状态,对非正弦激励下非晶合金的损耗特性进行测量.在此基础上,对传统的斯坦梅兹损耗计算公式进行修正,同时考虑到不同频率下损耗计算公式的通用性,对损耗计算公式的系数进行变系数改进.考虑中高频变压器的振动噪声问题,采用激光测试仪,对非晶合金铁心材料的磁致伸缩特性进行测试分析,并建立铁心材料磁致伸缩特性的预估模型.实验验证了所提损耗和磁致伸缩模型的有效性,为中高频变压器的优化设计提供理论依据.     

考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

非晶合金用于电机铁心可极大地提高电机效率,然而,其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性（即磁致伸缩逆效应）在增大铁心振动噪声的同时,限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。该文提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制,以抑制非晶合金开关磁阻电机电磁振动的减振思路。首先,基于宏观热力学理论,建立考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系;其次,提出非晶合金开关磁阻电机的定子齿加压结构,并考虑静态预应力、脉动电磁应力对非晶合金磁特性的影响,构建开关磁阻电机力-磁双向动态耦合模型并求解;最后,计算应力作用前后定子铁心的磁通密度分布。通过实验与仿真对比发现,定子齿加压结构的径向电磁应力可减小44.5%,因此该减振方法具有可行性。     

考虑磁化及磁致伸缩特性各向异性的 感应电机铁心电磁应力分析

感应电机铁心电磁应力主要来源于硅钢片的磁致伸缩以及定转子间麦克斯韦电磁应力,在正弦及谐波激励下,硅钢片均具有较强的磁各向异性。因此,为了准确计算电机铁心电磁应力,在该文首先对无取向硅钢片在正弦及谐波激励下的磁化和磁致伸缩特性曲线进行测试;然后,建立考虑磁化及磁致伸缩特性各向异性的感应电机电磁-机械耦合振动模型,并计算电机铁心电磁应力分布;最后,通过对比有无考虑磁各向异性的电机模型计算结果,分析电机铁心的应力分布的各向异性,同时,计算了5次谐波和7次谐波注入下电机定子铁心电磁应力曲线及频谱,发现在100 Hz和200 Hz频率时,谐波对应力幅值的影响较大。     

稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台优化与实验研究

目前,国内外对稀土超磁致伸缩棒材(简称棒材)参数的测量和提取方法不尽相同,且大都没有考虑测试过程中由于棒材伸长导致的预应力变化问题,测量结果无法直接对比,误差无法确定,准确性无从考量.因此,换能器仿真设计没有可靠的特性数据做支撑.该文设计搭建一套稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台,考虑由于棒材伸长导致预应力变化的因素,可对棒材静态及准静态性能进行测试,包括棒材的磁致伸缩性能、B-H曲线、杨氏模量等.重点对平台的保压装置进行设计优化,设置对比实验,实验结果表明,在测试过程中采用该文设计的保压装置,预应力变化率可由无保压装置的10.625％降至1.134％以下,且实验证明棒材性能测试更准确.最后对平台测试的B-H曲线、应力-应变曲线(σ-λ曲线)结果进行处理,得到磁导率和杨氏模量两个重要参数,并分析其随磁场强度和预应力的变化趋势.该平台的设计及优化为超磁致伸缩棒材参数的提取提供了一种更为可靠的测定方法.     

机械应力对取向硅钢片综合磁性能影响的实验研究

变压器铁心在运行时长期承受外施应力和高频激励的影响,由此导致的振动噪声和铁损问题日益严峻。为深入研究取向硅钢片在不同频率和应力下的综合磁性能,该文搭建了软磁材料综合磁性能测量平台,首先利用单片磁特性测量装置和应力施加装置,得到了工频下拉应力和压应力对取向硅钢片磁致伸缩、磁滞回线及铁损特性的影响。进一步研究了应力和不同激励共同影响下硅钢片综合磁性能的变化趋势,得到了不同激励、应力对取向硅钢片磁特性、磁致伸缩特性及噪声特性的影响规律。测量结果及其分析表明,拉应力对硅钢片的磁性能影响相对较小,而压应力对其影响较大;在压应力作用下,随着频率的升高取向硅钢片的磁致伸缩量有所减小,但频率、谐波含量、谐波次数和压应力的增大均导致取向硅钢片噪声增大。     

电磁机械同步共振无接触传能与转换方法研究

基于电磁耦合谐振式无线电能传输技术,为电能-机械能的无线传输、转换和控制提供途径,从而为不易拖带电线的微型机器人等用电机构的供能提供便利.建立漏感等效电路并分析了系统整体性能,然后针对超磁致伸缩材料特性建立了电、磁、机械(力)场路耦合模型,并得出系统整体传递函数.实验制作了电磁-机械同步共振系统样机,其测量结果表明由示波器监测的励磁电压频率与通过上位机采集的磁致伸缩棒振动频率一致,同时实现了在间距为30 cm频率为10.07 kHz时电能-机械能的同步转换.     

应用于机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列与物体识别

利用磁致伸缩材料铁镓合金(Galfenol)设计制作了触觉传感单元,并将其集成为阵列,安装在二指机械手上.基于电磁原理、逆磁致伸缩效应和欧拉伯努利动力学原理,建立触觉传感单元力测量模型.设计的传感单元测力范围为0～3N,当压力小于1.5N时,灵敏度为151mV/N,在1.5～3N区间,灵敏度约为109mV/N,测量较低...     

交变磁化下电工钢片的矢量磁致伸缩特性

随着超大容量电机和变压器铁心尺寸的增大,电工钢片磁致伸缩效应会加剧铁心的振动和噪声。为研究交变磁化下电工钢片的磁致伸缩特性,改进了传统单片电工钢片磁致伸缩特性测量装置,提出了"三轴激光"法测量电工钢片在0°~90°不同磁化方向下的矢量磁致伸缩特性。研究了磁致伸缩主应变与磁化方向及磁化强度之间的关系。提出描述电工钢片磁致伸缩主应变与磁通密度之间关系的矢量模型,建立了插值曲面,并与有限元计算结合分析了一台永磁同步电动机定子铁心磁致伸缩现象。研究表明,磁致伸缩主应变方向偏离磁化方向,该文所提出的测量和仿真方法可以有效地研究电机铁心的矢量磁致伸缩效应。     

RE-GMSM致动器精密位移的有限元分析

用ANSYS有限元软件分析了RE-GMSM(Rear Earth-Giant Magneto Strictive Materials稀土超磁致伸缩材料)致动器励磁线圈产生的磁场、磁通,模拟分析了磁回路中可能由气隙产生的对磁通的影响,从而获得了精确求取致动器输出位移的一种方法,得出了RE-GMSM致动器线圈及磁回路设计的一般方法。RE-GMSM棒伸缩率与其上压应力有关,工作所需的预压力一般由弹簧施加,本文介绍了一种预压力施加结构,并给出了用MATLAB语言编写的RE-GMSM棒压应力计算程序。作为RE-GMSM致动器应用例,设计了用RE-GMSM致动器驱动的高速开关阀,并用Inventor软件作图对其结构作了简介。     

非晶质磁性电子元件

被誉为“梦幻金属”的非晶磁性合金从开始问世就一直为人们所瞩目,受到很高的评价。从其厚度、电阻看,最适用于kHz～10 kHz的频率范围。现在日本正大力推进开关电源(SPS)的非晶质材料化,其中东芝公司首先将钴系无磁致伸缩的饱和线圈和脉冲限幅器投放市场,并将陆续把用高饱和磁通密度的铁系合金制成的扼流圈、主变压器提供给用户。一、饱和线圈:它用于磁放大器控制方式中,把具有矩形磁滞特性的环形线圈     

热声横向磁通永磁直线电机结构及运行特性分析

以热声发电系统的运行特性为基础,采用轴向叠片结构的横向磁通永磁直线电机能量转换装置,横向磁通永磁直线电机次级铁心上加装永磁体,横向及轴向相邻永磁体极性相反。通过有限元分析可知,电机的主磁通通过次级永磁体经由气隙-初级铁心进入相邻的横向永磁体构成磁回路,磁回路平面与电机运行方向正交。在行程小于1.5τ_(axial)的合理行程范围内,沿轴向各处的径向气隙磁感应强度呈现准方波形式,气隙磁感应强度幅值为0.78T,在频率为110Hz,幅值为4.71m/s的正弦速度运行状态下,输出电压幅值为137V,基波含量达95.7%,证明横向磁通永磁直线电机适用于热声发电系统这类高频短行程往复振荡运行工况。     

旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩特性

电工钢片的磁致伸缩效应会使大容量电机定子铁心发生形变加剧电机振动噪声。近年来,随着实验测试技术的不断发展,国外已开展电工钢片磁致伸缩的测量与特性研究工作,国内还处于起步阶段。为深入研究旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩效应,开发了基于三轴应变测量的单片电工钢片旋转磁致伸缩测量系统,研究了椭圆磁化轨迹在不同轴比、倾斜角及磁通密度下电工钢片磁致伸缩主应变矢量周期变化情况,建立了可供分析电机铁心磁致伸缩效应的数据库文件,并以三维插值曲面的形式描述了旋转磁化与磁致伸缩的关系。研究了一种计算电机定子铁心磁致伸缩效应的数值分析方法,以环形铁心模型为例实验验证了计算方法的有效性。研究表明,电工钢片的旋转磁致伸缩形变大于交变磁致伸缩,且随着磁化轨迹圆形程度的增加而增大。上述实验数据及旋转磁致伸缩特性分析为减小电机铁心的振动噪声研究提供了参考。     

超磁致伸缩材料内部磁场特别及材料参数对其影响分析

基于麦克斯韦方程和压磁理论建立了超磁致伸缩材料棒内的磁场分布模型,导出了含有材料磁弹性参数的超磁致伸缩材料棒磁场分布函数,讨论了材料特性参数对材料内部磁场和材料内部涡流损耗的影响。结果表明,材料内部磁场不仅与外激励磁场有关,而且与材料的压磁系数、杨氏模量及相对磁导率有关,同时材料内部磁场与外激励磁场间具有滞回特性;考虑材料特性参数时材料内部的涡流损耗达到最大值所需的材料半径,将大于不考虑材料特性参数时的半径值,同时涡流损耗的变化趋势也将变得和缓,而不论材料参数如何变化,超磁致伸缩棒内磁能损耗的基本规律没有发生变化。     

基于MEMS工艺的平行激励磁通门原理及仿真设计

介绍了一种平行激励MEMS磁通门的原理，并通过COMSOL多物理场仿真软件对其进行建模计及仿真分析，分别考察激励电流、被测磁场以及被测磁场频率对磁通门感应电压的影响。结果表明，感应电压二次谐波幅值随被测磁场的增高近似呈线性增大，磁通门磁场测量范围大于±100μT，频带范围大于DC～10 kHz，感应电压二次谐波幅值随激励电流的增大先增后降，最佳激励电流为37 mA，此时磁通门的感应电压最高，灵敏度最大，达1556.4 V/T。     

新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析

励磁绕组连接方式对电励磁磁通切换电机电磁特性影响很大。对所提出的2种新型电励磁磁通切换电机,分析了其工作模式和“磁通切换原理”,利用有限元分析方法比较了2种电机的电磁特性：定子磁链、反电势、气隙磁密、定位力矩、电磁转矩、转矩密度。重点比较了励磁绕组连接方式对电机漏磁和功率密度的影响。结果表明,电励磁磁通切换电机具有较高正弦度的双极性磁链和全周期工作模式,适合运行在无刷交流场合。拓扑2具有更小的漏磁和更高的励磁电流利用率,其转矩密度为拓扑1的2倍。分析结果为所提出电励磁磁通切换电机在航空起动／发电机系统、风力发电系统等领域的应用提供了理论背景。