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。     

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。     

双线圈铁镓合金换能器的输出特性

为了探究铁镓合金在不同磁场频率下产生应变和输出能量的变化规律,设计了一种双励磁线圈结构的铁镓换能器,研究了铁镓合金换能器的静态和动态输出特性。基于有限元法计算了铁镓合金换能器上棒状铁镓合金在不同频率下的磁场分布情况。利用磁能与机械能的转换关系,分析了铁镓合金换能器在不同磁场频率下的电磁损耗、磁能存储和输出机械能变化规律。结果表明,随着磁场强度的增加,铁镓合金换能器的静态输出应变和输出位移先线性增大之后趋于饱和。铁镓合金换能器静态输出的最大应变为80×10~(-6),输出的最大位移为3×10~(-6)m。棒状铁镓合金的最顶端和最底端的磁场强度较大,且随着磁场频率的增加而降低;棒状铁镓合金的中间部分磁场强度较小但分布均匀,且随着磁场频率增加而增加。铁镓合金换能器的动态输出位移曲线为蝶形曲线,在磁场频率为50 Hz时,铁镓合金换能器输出的机械能最大为69.598 J/m~3。     

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。     

超磁致伸缩材料动态磁滞特性理论分析

在考虑超磁致伸缩材料(GMM)内部磁场强度分布状况的基础上,结合动态J-A模型分析了GMM棒动态磁滞特性.通过与实验数据的比较,考虑磁场内部分布时的J-A模型能够较好地描述不同频率下GMM棒的动态磁滞特性,验证了该处理的有效性.利用该模型对GMM棒动态磁滞特性做出预测,结果表明高频驱动下应综合考虑内部磁场分布情况、涡流损耗和异常损耗.结合该模型和Z-L模型对GMM棒的动态输出特性做出预测,结果表明随着频率的增大,GMM棒的平均应变逐渐减小,滞环宽度逐渐增加,预测结果对GMM器件的设计和控制提供了参考.     

驱动频率对超磁致伸缩致动器的损耗和温升特性的影响

从超磁致伸缩材料的压磁效应入手,基于能量极小值条件和磁学理论,分析了磁化过程中磁弹性力对材料中磁场的影响,分析了不同驱动频率下材料的涡流损耗、磁滞损耗以及复数磁导率的频率特性,对致动器中的磁能损耗以及损耗带来的温升特性进行仿真实验.结果表明,利用涡流损耗的计算公式得到的结果与有限元仿真结果吻合较好,该公式可适用于超磁致伸缩材料在中低频下的损耗计算,而高频下复数磁导率的变化将增大材料内部磁场的滞回非线性.实验结果表明,致动器中超磁致伸缩材料轴向温度分布随驱动频率的变化而变化;实验验证了计算与仿真结果的正确性,在此基础上分析了强制水冷对致动器温升的控制,所得结论为超磁致伸缩致动器的设计提供参考.     

电场对低温保存生物组织介电特性影响的研究

以SD大鼠的肾、皮肤、肝脏、大脑皮层、心脏和肌肉为研究对象,在对其进行慢速冻结的过程中施加外电场,研究了电场对生物组织低温保存介电特性的影响.结果表明:不同条件下6种离体生物组织的阻抗均随着频率的升高而减小,介质损耗因数随着频率的升高先增大后减小;在相同频率下,电冷冻保存的阻抗和介质损耗因数介于刚离体新鲜组织与直接冷冻保存的阻抗和介质损耗因数之间.阻抗越大,损耗越低,组织新鲜度和完整性越高,说明电冷冻保存离体组织的新鲜度和完整性比直接冷冻有不同程度的提高.     

因瓦合金的磁学性能研究(二)——环境温度对磁学性能的影响

因瓦合金(Invar)的基本性能,是低的膨胀系数。本文研究了环境温度对因瓦合金的磁学性能的影响。结果表明:初始磁导率随环境温度升高而增大,剩余磁感随环境温度升高而减小。磁化曲线,随环境温度升高而变低,反之亦然。初始磁导率和外磁场的关系曲线,也随着环境温度的改变呈规律性变化。     

热老化对干式变压器环氧树脂介电性能的影响

根据常见的干式变压器环氧树脂配方,制作了环氧树脂试样,在100、130、160℃下进行热老化试验,测试试样的介电性能,研究介电常数及介质损耗随老化时间与老化温度的变化规律。结果表明:随着老化时间与温度的增加,试样在相同电场频率下的介电常数与介质损耗因数增大;随着老化时间的增加,试样的电气强度随着介质损耗因数的增加而降低,环氧树脂的绝缘性能降低。     

水分对电容式油纸绝缘套管频域介电谱的影响

为研究水分对油浸式套管频域介电谱的影响,首先根据行业规范在实验室内设计并制作了72.5 kV电容型油纸绝缘套管模型,然后对套管模型进行受潮处理,制作了水分含量分别为0.53%、1.78%、2.97%、3.89%、5.03%的试样,测试了不同水分含量的油浸式套管模型的频域介电谱,最后分析并讨论了水分对电容式油纸绝缘套管频域介电谱的影响。结果表明:随着测试电场频率的上升,复介电常数虚部ε″和介质损耗因数tanδ呈现出先下降后升高的变化趋势,不同水分含量的套管模型的测试曲线在频率为10~(-3)~10~1Hz时呈现出的差异更为明显;随着外加电场频率的变化,套管模型的介质损耗因数曲线会在特征频率(f)处产生极值点,当套管模型受潮严重时,极值点现象在测试频率范围内消失;不同水分含量的套管模型介质损耗因数曲线极值点的f与水分含量存在指数函数关系,可用来对套管的水分含量进行有效评估。     

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。     

方波脉冲电压频率对变频牵引电机绞线对绝缘特性的影响

测试了不同频率方波脉冲电压下牵引电机绞线对的电热联合老化寿命、介质损耗因数（tanδ）及局部放电平均放电量,测试结果表明：方波脉冲电压频率升高,使局部放电平均放电量增大,局部放电对绞线对绝缘的破坏作用加强,使绞线对的老化寿命缩短;方波脉冲电压频率升高,使绞线对老化程度加深,陷阱密度增大,降低了自由载流子浓度,使局部放电起始放电电压（PDIV）增大,从而使介质损耗因数曲线转折点电压升高.     

铁硅合金粉末的改性硅溶胶表面包覆及其磁粉芯性能

利用改性硅溶胶包覆液对气雾化Fe-6.5%Si软磁合金粉末进行表面绝缘处理并制备磁粉芯,考察了不同包覆液用量对铁硅磁粉芯性能的影响。结果表明,经包覆处理的合金粉末表面存在均匀的氧化物绝缘层;磁粉芯样品在测试频率范围具有良好的恒磁导率和高频特性;随着包覆液用量的增加,磁粉芯样品的磁导率相应减小、直流叠加性能明显提高,损耗则表现出先减小再增大的趋势。当包覆液用量为1.0 wt%时,样品的恒定磁导率为78,50k Hz、50m T条件下的功耗为170 m W/cm3,直流叠加场为10m T时磁导率百分比为55%,表明适当的粉末表面包覆层有利于获得高性能的铁硅磁粉芯。     

考虑趋肤效应的铁磁材料宽频损耗分离模型

为在较宽频率范围内准确计算变压器铁心损耗,该文在不同频率下对铁磁材料的磁滞特性及损耗特性进行了测量,并基于损耗分离模型进行分析。为考虑趋肤效应对涡流损耗的影响,计算过程中分别采用不同形式的实数、复数磁导率表示材料磁感应强度与磁场强度的本构关系。研究发现,采用磁导率描述本构关系时,其数值不能从近似的直流磁化曲线中提取,而应将其视为随频率变化的量。基于上述结论,该文基于损耗分离理论对铁磁材料内部的磁场进行分离,并基于异常损耗场提出一种实数磁导率近似方法,从而实现基于少量低频下的测量数据预测材料在较宽频率范围内的损耗特性。     

考虑磁滞与谐波特性的开关磁阻电机铁损分析

非晶合金开关磁阻电机(SRMA)的双凸极结构和脉冲供电方式决定了电机内磁场分布的非正弦性,并且不同部位磁通密度波形具有较大差别,导致难以准确计算SRMA的铁心损耗。考虑到非正弦激励下铁心损耗难以用传统的Bertotti损耗分离模型进行计算,本文提出一种耦合Play磁滞模型与变修正系数动态损耗模型的SRMA铁损有限元分析方法。首先,构建非晶合金磁特性测量平台,测量了不同工况下的磁滞回线与损耗特性;其次,根据测量得到的准静态磁滞回线对Play磁滞模型进行参数辨识,并用该模型计算SRMA的磁滞损耗;引入与磁通密度和频率相关的变修正系数,对含高次谐波的SRMA铁心动态损耗进行准确计算;最后,将Play磁滞模型与变系数傅里叶分解损耗计算方法应用于SRMA铁心损耗的有限元分析之中,并进行了实验验证。结果表明,所提方法在SRMA铁损计算中具有较高的精度。     

软磁复合材料与硅钢片材料的永磁电机性能差异研究

软磁复合材料是由表面带有绝缘的金属粉末颗粒压制而成,具有涡流损耗小、各向同性的特点,近年来得到了一定的应用,但其磁滞损耗大,磁导率低,所以其适用场合及与硅钢片性能的具体差异还需要进一步的深入研究。该文首先利用环形试样法测试软磁复合材料的磁特性,得到其空载磁化曲线和不同频率下的损耗数据。然后,为对比分析软磁复合材料和硅钢片材料在电机应用中的差异,分别使用软磁复合材料和硅钢片设计两台永磁同步电机,分析计算两种材料电机的磁场、铁耗以及铁耗在不同频率下的变化规律。最终通过样机测试掌握了两种材料在永磁电机中应用的差异,验证了计算的准确性,总结了软磁复合材料的应用范围。     

聚酰亚胺/纳米有机硅薄膜结构与电性能研究

通过调整甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯的摩尔比,采用溶胶-凝胶法制备了纳米有机硅溶胶用于掺杂的聚酰亚胺(PI)薄膜。对薄膜的结构与电气强度,相对介电常数εr和介质损耗因数(tanδ)的关系进行了实验研究,并采用FT-IR,SEM表征了薄膜的化学结构和表面形貌。结果表明,随着纳米有机硅网络结构的变化,掺杂薄膜的击穿场强先下降后增加,大约在甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯的摩尔比为3∶5时出现极小值,在1 kHz的测试频率下,相对介电常数εr先增大后减小,相应的介质损耗因数(tanδ)逐渐降低。     

TiO_2掺杂对高频MnZn功率铁氧体显微结构及磁性能的影响

采用氧化物陶瓷工艺制备2~4MHz高频开关电源用Mn Zn功率铁氧体,通过对铁氧体断面显微结构、密度和磁性能的测试,研究了TiO_2掺杂量对材料微观结构、磁导率和功率损耗的影响。结果表明,随着TiO_2掺杂量的增加,样品平均晶粒尺寸先减小后增大,磁导率单调减小,不同温度(25℃、100℃)下的磁心总功率损耗(激励条件3MHz,10m T、25m T)先减小后增大。说明TiO_2的适量掺杂可以改善高频Mn Zn功率铁氧体的微观结构,降低其功耗。     

应用于一体成型电感的羰基铁粉-铁硅铬混合软磁金属粉末

将羰基铁粉末与铁硅铬合金粉末按照不同比例混合后钝化、包覆、压制成磁粉心,测试和分析了其磁环密度、磁导率、直流叠加特性及损耗性能。结果表明,相对于铁硅铬合金粉末,羰基铁粉具有密度高、叠加特性好、损耗低的优点;但是其缺点是磁导率低,仅为铁硅铬合金粉末的85%。两种粉末混合制备的磁环特性并非羰基铁粉与铁硅铬合金粉末的简单叠加,而是存在一定的偏差。随频率升高,铁硅铬合金粉末磁环损耗增幅低于羰基铁粉末磁环,100 kHz/50 mT条件下前者损耗为羰后者的1.22倍,低于50 kHz/50 mT时的1.35倍。     

低温环境下环氧树脂氧化铝复合材料的介电性能变化规律研究

为了研究极寒地区环氧树脂复合材料应用的可靠性,制备了微米Al_2O_3填料含量分别为0、20%、50%和75%的环氧树脂试样,采用恒温试验箱对试样进行低温冷冻处理,并测试了试样的介质损耗因数和介电常数,得到不同温度下、不同Al_2O_3含量环氧树脂材料的介电性能变化规律,分析了环氧树脂复合材料介电性能变化的原因。结果表明:随着微米Al_2O_3填料含量的增加,环氧树脂复合材料的介质损耗因数减小,相对介电常数增大;随着温度的降低,环氧树脂复合材料的介质损耗因数呈先增大后减小的趋势,相对介电常数呈减小趋势。