计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器多物理场耦合建模研究

堆栈式超磁致伸缩制动器(SGMA)因其能量密度高、响应速度快且便于提供稳定的偏置磁场而得到广泛应用。由于永磁体和超磁致伸缩材料相对磁导率极低,磁路中存在明显的磁场空间分布不均匀的现象,磁-机耦合导致其动力学相较于传统结构的制动器更为复杂。为了准确地预测SGMA的输出特性,该文基于有限元仿真搭建了计及漏磁的等效磁路,并结合Jiles-Atherton模型、非线性本构模型及考虑分布特性的结构动力学模型,借助Pspice电路仿真软件建立了超磁致伸缩制动器多物理场耦合动态模型。相较于传统的制动器多场耦合模型,所提模型能够更精准地分析磁路中的漏磁行为,并反映由磁场不均匀引起的力学分布特性。最后搭建制动器输出位移测试平台以验证模型的准确性,模型计算结果与实验结果吻合度良好,证明了所建立模型能有效表征SGMA的输入-输出特性。

考虑超磁致伸缩材料非均匀性的大功率电声换能器阻抗特性

为了辐射更高的声功率,大功率超磁致伸缩电声换能器常采用多根超磁致伸缩棒材组合的结构,从而辐射更高声功率。现有的阻抗分析方式一般将超磁致伸缩棒材视作均匀一致的个体进行计算,然而该材料所采用的定向凝固制备方法存在固有缺陷,导致材料性能一致性不高,因此将棒材性能均匀化处理的阻抗分析并不准确。该文首先利用有限元仿真展示四根棒材参数互异所带来的阻抗影响。在使用分布参数法进行阻抗分析的基础上,进一步考虑每个棒材不同位置参数的差异。然后将棒材按单位长度进行微分,探究棒材不同位置参数互异带来的影响,以相同参数所占微元进行积分求和,进而分析得到换能器整体的阻抗。通过与传统集总参数模型和实验数据的拟合效果进行对比,可知该文所提出阻抗分析方法更准确,对换能器的设计有重要的指导意义。

稀土超磁致伸缩换能器等效热网络建模研究

超磁致伸缩换能器的工作特性与温度密切相关,快速准确地对换能器温度分布进行分析计算与预测是换能器设计与性能评估的关键。凭借仿真速度快、准确性高等显著优势,热网络建模广泛用于换能器热分析,但多聚焦于稳态建模研究,忽略超磁致伸缩棒由于热导率低所导致的明显的瞬态温度梯度。为此,该文以纵振式超磁致伸缩换能器为研究对象,计及超磁致伸缩棒作为热源的特殊性和对棒材温度空间分布的影响,建立超磁致伸缩换能器瞬态等效热网络模型。首先基于换能器的结构和工作原理,对其进行热分析;然后重点对超磁致伸缩棒进行建模,根据换能器内部传热过程,建立换能器瞬态热网络模型并对模型参数进行计算;最后搭建有限元仿真模型和换能器温升实验平台,从仿真和实验两方面验证了所提热网络模型对换能器温度时空分析的准确性和有效性。

计及损耗的超磁致伸缩材料参数提取及有限元仿真应用

有限元法(FEM)是换能器设计的重要手段。超磁致伸缩换能器的核心振子——超磁致伸缩材料在应用中存在电磁损耗、机械损耗和磁机耦合损耗等。而现有的有限元仿真软件中的磁致伸缩模块无法对超磁致伸缩换能器进行多场耦合下的损耗的准确计算,且难以获取不同工况下的材料参数,给换能器的设计造成了较大的误差。因此相比压电模块,有限元仿真中的磁致伸缩模块仍未得到广泛应用。该文通过对压电和磁致伸缩的机电耦合的有限元控制方程的数值比拟,利用压电模块实现了对超磁致伸缩换能器的有限元仿真,并利用材料复参数对损耗进行表征,实现了超磁致伸缩换能器计及损耗的有限元仿真。为得到超磁致伸缩材料的特性参数,利用平面波法(PWM)对磁-机耦合特性参数测试平台进行阻抗建模分析,通过粒子群算法提取不同预应力下考虑损耗的特性材料参数,并将所得参数代入有限元仿真软件COMSOLMultiphysics中进行谐响应分析,所得结果与PWM模型结果及实验阻抗曲线吻合良好,证明了所提方法的可行性和准确性。