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。

磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型

磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点,是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程,此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析,导致输出预测误差较大。该文首先搭建了磁致伸缩材料磁特性测试装置,测试分析了磁致伸缩材料Galfenol合金在不同压应力尤其是大幅值应力下的磁特性;然后基于Gibbs自由能推导了Galfenol材料的全耦合非线性本构方程,进而构建了考虑漏磁、非线性、机磁耦合及饱和效应的振动能量收集器的等效电路模型,并对等效电路模型进行了非线性数学表征和参数识别;最后基于Galfenol材料设计了一个可以承受大幅值振动力的双棒型振动能量收集器样机,通过实验研究了收集器输出电压在不同力幅值、力频率、负载阻值等工况下的变化规律。实验结果与模型的计算结果对比分析表明,所建立的全耦合非线性等效电路模型可以准确预测振动能量收集器的输出电压特性。

变压应力条件下铁镓合金棒材高频磁特性测试与模型构建

高频大功率磁致伸缩换能器件的输出特性与其所受的压应力密切相关,施加一定的压应力可以提高其核心元件磁致伸缩棒材的磁致伸缩系数,增大器件输出功率,而不合适的压应力会使得器件性能恶化。该文搭建了磁致伸缩材料高频磁特性测试系统,测量了磁致伸缩材料铁镓合金棒材在不同激励条件下(变压应力σ、变励磁频率f和不同磁场强度H)的动态磁特性曲线。结果表明,当频率与磁场强度一定时,随着压应力的增加,高频磁特性中振幅磁导率减小、动态磁滞回线纵向变扁、磁能损耗减少。针对传统磁滞模型无法计及压应力影响的问题,在现有静态J-A磁滞模型的基础上,计及涡流损耗和剩余损耗,并采用分数阶导数修正高频涡流场表达式,建立了高频动态磁滞模型,再引入压应力相关项修正模型参数,得到与外施压应力相关的改进高频动态磁滞模型。将实验数据与模型计算结果进行对比分析,结果表明,在变压应力和高频激励条件下,模型计算结果与实测值吻合较好,最大误差为5.86%,平均误差为3.29%,验证了模型的准确性与可行性。

考虑应力波衰减特性的磁致伸缩位移传感器的输出特性与实验

为提高磁致伸缩位移传感器的测试量程,需要对传感器的输出特性进行研究,以期获得更大的检测信号。针对应力波在传播过程中的衰减直接影响检测信号幅值的问题,从声压强度与声波峰值的关系出发建立了含有传播距离的输出电压模型,确定了输出电压随传播距离呈指数衰减的规律。为了测试输出电压随传播距离变化的关系,提出通过应力波来回多次反射来得到衰减后的电压幅值的方法,去掉波导丝两端阻尼,永磁体和检测线圈的位置不变,可以避免波导丝的不均匀性对输出电压的影响以及较长波导丝所需激励电压过高的问题。搭建了传感器输出信号衰减测试平台,对线径为0.5 mm,应力波衰减系数为0.132 3 Np·m^（-1）的Fe-Ga丝进行测试,基于所提实验方法,测得应力波传播距离为0.312~4.266 m时,偏置磁场分别为7.5和10 k A/m对应的输出电压的变化范围分别为138~79.6 m V和172~99.5 m V。从实验上验证了输出模型的准确性,应用此模型可以对传感器的输出电压值和量程进行预测。

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。

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。

用于检测压力与刚度的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列

触觉信息的采集是智能机械手获取物体物理性质的重要途径,该信息能够指导机械手进一步精确抓取。基于逆磁致伸缩效应与仿生结构开发了一种新型柔性磁致伸缩触觉传感器阵列,通过采集多个触点的接触应力获得物体的刚度信息。该传感器阵列由6个传感单元封装而成。传感单元主要由铁镓合金、永磁体和霍尔传感器组成。推导了传感单元的接触应力模型与刚度测量模型。实验探究了传感单元的静态和动态力传感性能,在0~3 N的应力下灵敏度为23.86 mV/N,最大输出电压为71.58 mV。将6个传感单元集成到柔性印刷电路板中,形成2×3柔性磁致伸缩传感器阵列,并装载至可控轨迹机械手上。在抓取过程中通过分析传感器阵列的输出电压得到物体刚度,从而指导机械手实现精确抓取。

磁致伸缩触觉传感器阵列及其在机械手抓取物体中的应用

受人类手指的感知与探测功能启发,基于新型磁致伸缩材料Fa83Ga17(Galfenol)的逆磁致伸缩效应,设计了一种用于测量压力与检测刚度的触觉传感器阵列。根据电磁学和力学理论,建立了触觉传感器阵列的模型,计算结果表明模型可以描述传感器阵列的输出电压与压力之间的关系。制备了2×2传感器阵列样机,样机尺寸为37×22×14 mm。将传感器阵列样机安装在两指机械手上进行输出特性测试,测试结果表明传感器阵列的灵敏度为115 mV/N,检测范围为0~3 N,在周期为0~1 s范围具有较快的反应速度。研制的磁致伸缩触觉传感器具有灵敏度高,响应速度快的特点,可以检测触觉压力,感知压力分布和物体刚度的信息,与机械手配合可以完成稳定抓取物体的任务。

超磁致伸缩材料高频磁能损耗特性测试与分析

为进一步研究超磁致伸缩材料磁能损耗特性,将棒状Terfenol-D材料沿着不同磁化方向进行切片,制成多个方形环状薄片样品,对比分析了材料磁化方向以及样品尺寸对磁能损耗的影响。在不同驱动磁场频率和磁密幅值下,对磁能损耗进行测试,分析损耗实测数值变化趋势。基于损耗分离法,结合实测数据,考虑了材料内部涡流集肤效应及动态磁滞特性等影响,对高频磁能损耗进行了数值模拟,研究各项损耗系数变化规律。结果表明,Terfenol-D材料高频磁能损耗随着频率及磁密幅值增加,整体呈数值增大、增速加快趋势。在高频下,损耗系数为随着频率和磁密幅值变化的变量。当频率大于5 k Hz、磁密幅值大于0. 05 T时,数值模拟方法所得计算值与实测值的平均误差为3%。

扭转力作用下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出特性

为提高磁致伸缩位移传感器的测量精度,需要从理论和实验上分析传感器的输出特性。针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题,基于材料力学求解扭转应力,并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响,结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台,从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。研究还表明:在同一磁场下,正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降,提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。

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2.5 mm。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1.0 T。选取非均匀分布的静态偏置磁场大小为1.0 T,提离距离为2.5 mm,仿真计算得到接收端的电压峰值为0.15 V。

TbDyFe合金的高频动态磁特性及损耗特性分析

TbDyFe合金可应用于高频乃至超声频率器件中,高频磁场(f>1 kHz)下TbDyFe合金(Terfenol-D)磁滞现象及损耗严重。研究不同厚度TbDyFe合金叠片的动态磁特性及损耗特性对于设计高频范围的器件至关重要。采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了不同厚度TbDyFe合金叠片在不同驱动磁场频率和磁密幅值下的动态磁滞回线。基于动态磁性理论和损耗计算模型,对比分析了不同厚度TbDyFe合金叠片的动态磁特性参数,并对高频范围内的损耗机理进行了深入研究。实验结果表明,当磁密幅值B_m=0.05 T、频率为5 kHz时,1 mm厚叠片结构样品与单片2 mm厚样品相比,动态磁滞回线横向变窄,所需磁场强度减小,矫顽力和磁能损耗值分别减小了26.4%和28.1%,振幅磁导率增大了11.7%。在一定磁密幅值下,TbDyFe合金的复磁导率实、虚部和振幅磁导率随频率增大,整体呈现出数值减小、减速变慢趋势;在高频高磁密条件下(f>5 kHz、B_m>0.06 T),厚度减小使TbDyFe合金损耗减小更为明显。

基于磁致伸缩逆效应的纹理触觉传感器研究

纹理是物体表面微观结构分布特征的体现,为了提取不同物体表面微观结构特性,提出一种基于Galfenol材料的新型磁致伸缩触觉感知系统。基于磁致伸缩逆效应、悬臂梁挠度理论等建立纹理触觉传感器输出电压与纹理表面微观结构的关系。实验选取5种织物样本测试,测试的输出电压明显不同,然后利用MATLAB软件提取输出电压中与纹理有关的峰值平均电压和功率谱密度,表明在粗糙度大于6.0的范围内,传感器可以识别物体的粗糙度;在细密度大于6时,细密度的识别具有较高的灵敏度。最后通过测试触觉传感器的线性度为0.019%,灵敏度为97.31 mV/mm,重复性小于0.33%,验证纹理触觉传感器的稳定性,满足设计要求。

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。

高频磁致伸缩换能器谐振频率特性分析与控制

本文研究了工作温度和负载变化对换能器谐振频率的影响规律并设计了反馈控制系统以实现谐振频率跟踪。首先基于磁致伸缩换能器机电等效电路,推导了以工作温度T和负载F为自变量的谐振频率计算模型,搭建了温度可控、负载可调的谐振频率测试系统;然后对实验测试数据进行分段线性拟合和曲面数值拟合,得到了满足线性相关度和曲面拟合优度要求的谐振频率关于温度和负载变化的二元函数模型,进而确定了谐振频率计算模型的相关参数;最后依据计算模型设计了反映温度和负载变化的频率跟踪反馈控制系统并测试了换能器输出特性,结果表明换能器的振动加速度幅值平均提高了31.11%,且谐振频率能跟随温度和负载的变化而自动调整,实现高效率稳定运行。

高频磁致伸缩换能器输出特性测试与优化控制

高频磁致伸缩换能器的谐振状态和输出特性受电磁激励条件、发热程度以及负载状况等多种因素共同影响。为了提升高频磁致伸缩换能器的输出性能,本文深入研究了工作温度和负载变化对换能器谐振频率和最佳偏置磁场的影响规律并设计了闭环控制系统。首先,依据换能器阻抗圆图和输出加速度特性,对不同温度和负载下磁致伸缩换能器的谐振频率与最佳偏置磁场进行了实验测试以发现其变化规律;然后,基于测试数据建立了反向传播(Back Propagation,BP)神经网络预测模型并采用遗传算法和粒子群算法对BP神经网络进行优化以表征温度和负载与谐振频率和最佳偏置电流之间的非线性关系;最后,搭建了磁致伸缩换能器的闭环控制系统并利用预测模型的预测结果实时调整闭环控制器的参考值以实现谐振频率和最佳偏置磁场的自动追踪,实验结果证明了该控制系统优化换能器输出特性的有效性,不同工况下可使换能器的输出加速度幅值平均提高25.65%。

基于多目标遗传算法的高频磁致伸缩换能器优化设计

磁致伸缩换能器在高频激励下存在铁心涡流损耗大、磁场分布不均匀、电磁转化效率低等问题,需要从换能器本体优化设计方面寻求解决。首先对换能器的线圈高度和磁轭回路结构进行仿真分析以初步确定磁路结构;然后基于非支配排序遗传算法对换能器提出了一个整体的多目标优化设计模型,该模型以增大磁致伸缩棒内磁场强度、提高棒内的磁场分布均匀度和减少换能器高频损耗为优化目标,引入规范化排序和熵权法对该优化方法得到的Pareto前沿解进行决策支持,筛选一组最优设计方案;最后对该最优解进行仿真分析,磁场分布和数值计算结果验证了该优化方法的有效性,根据优化结果制作了一台换能器样机,样机输出特性的测试结果表明了优化设计方法的可行性。

TbDyFe合金的高频动态磁滞特性研究

研究不同叠片厚度TbDyFe合金的动态磁滞特性是设计高频器件的前提和基础。利用AMH-1M-S测量不同叠片厚度TbDyFe合金的动态磁滞回线,获得矫顽力、剩磁、振幅磁导率等磁特性参数,探究其随频率和磁密幅值的变化规律。对磁滞回线面积计算获得材料的磁能损耗,研究叠片厚度对材料磁损耗和磁滞特性的影响。结果表明:当频率为定值时,TbDyFe合金的矫顽力、剩磁和幅值磁导率随磁密的增大呈近似线性增加;当频率升高时,叠片厚度大小对矫顽力、剩磁、幅值磁导率和损耗的影响愈加显著;叠片厚度小的样品其剩磁、矫顽力和损耗值偏小,幅值磁导率值偏大;当f为15kHz、Bm为0.09 T时,1 mm与2 mm厚的样品相比其损耗减小了32.2%。

考虑铁镓磁特性的换能器输出位移模型与试验

磁致伸缩换能器的换能机制与外加驱动磁场、材料的磁致伸缩特性有不可分割的关系,换能器的输出位移取决于磁致伸缩材料的磁特性、外加磁场、变幅杆等方面。根据等效电路法和平方近似模型,结合材料磁特性和变幅杆振动方程,建立了换能器的输出位移模型,设计了一种无偏置磁场的窗式铁镓磁致伸缩换能器。对铁镓合金材料进行了静态、动态磁特性测量。搭建了试验测试系统,对换能器样机进行了试验测试,完成了模型验证。结果表明:换能器的输出位移幅值理论曲线和试验曲线基本吻合,验证了模型的准确性;在激励电流为2 A、谐振频率为12.4 kHz时,换能器的输出位移幅值为8.22μm。该研究建立的模型和所得结论对换能器的优化设计和输出特性分析具有一定的指导意义。

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。