面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字合成(DDS)技术并利用全桥开关放大电路进行功率放大,使用相位和有效值(RMS)计算实现频率追踪策略,从而使该电源具备定频信号输出以及实时频率追踪的功能。最后,对超磁致伸缩换能器超声电源的输出性能进行了测试与分析,结果表明,在开环定频驱动功能下可以输出15~50 KHz的超声信号,在闭环追频驱动功能下可以在工作频率点处长时间稳定驱动超磁致伸缩换能器。此外,文章对面向超磁致伸缩换能器的超声电源进行了升级,并进行实验验证该电源可以实现超过1 kW的大功率输出。

计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型

文中在Jiles-Atherton磁滞模型和换能器振动系统的结构动力学原理的基础上,考虑交流驱动时的涡流效应和应力状态的变化,建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。对换能器系统不同工作情况进行模型的仿真计算并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。说明所建立的动态模型能较好地描述换能器系统输出应变与驱动磁场之间的关系。根据模型的计算结果拟合出了换能器系统的伯德图,用于指导对换能器系统进行频率跟踪控制。

考虑动态损耗的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型

在热力学理论、Jiles-Atherton模型、能量守恒定律和换能器结构动力学原理的基础上,考虑动态损耗带来的影响,建立了包含磁-机-热的耦合项的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型。运用数值计算方法对所建立的模型进行了计算,计算结果与实验结果吻合较好,说明所建立的多场耦合动态模型能够描述驱动磁场和换能器的输出应变之间的关系,能很好地描述换能器的实际工作状态,为超磁致伸缩换能器设计研发提供理论指导。

磁场和应力作用下的超磁致伸缩换能器的动态模型

在Jiles-Atherton模型、电磁学原理和结构动力学原理的基础上,考虑动态应力和驱动磁场的变化,建立了磁致伸缩换能器的磁机械耦合动态模型。该模型既可以用在把电能转换成机械能的致动器中,也可以用在把机械能转换成电能的传感器中。在致动器工作模式下,计算结果和实验结果是一致的。在传感器工作模式下,论文分析了不同偏置条件(偏置磁场和预应力)时,应力变化对超磁致伸缩传感器感应电压的影响,并进行了相关的实验研究。结果表明,实验结果和计算结果趋势一致,数值符合较好,验证了模型的正确性和实用性。

超磁致伸缩换能器磁路设计及优化

为优化超磁致伸缩换能器的电磁性能,研究了线圈的几何尺寸和磁路元件的选择对换能器磁场特性和输出位移的影响,并进行了磁路损耗和气隙磁导分析.给出了合理的线圈结构参数,提出了在超磁致伸缩材料(GMM)棒两端安装高磁导率的软磁体和减少GMM棒涡流损耗的设计方案,并忽略了气隙的影响.采用有限元方法仿真了不同磁路设计方案对换能器性能的影响,并进行了试验分析.结果表明,在GMM棒两端安装电工软铁能够提高工作磁场强度,减少磁通泄漏,增加换能器输出位移并降低驱动电流,改善换能器的发热情况,从而整体改善超磁致伸缩换能器的性能.

Terfenol-D超磁致伸缩换能器的有限元模拟

本文研究了利用ANSYS软件分析磁致伸缩换能器，使这一有限元分析软件能够用于TerfenolD换能器的分析设计。设计了14kHzTerfenol－D纵向技能器，计算结果与实验结果符合很好。

超磁致伸缩换能器系统动力学特性分析

根据第一压磁理论建立超磁致伸缩换能器系统含有平方、立方项非线性动力学模型,利用非线性振动近似解析方法对换能器系统进行分析,揭示了换能器系统非线性特性。利用基于MAT-LAB/Simulink的系统仿真理论,建立换能器系统动态仿真模型,发现换能器系统在一定参数下存在着混沌现象。通过数值模拟的方法对换能器系统做深入的理论分析,得出系统在不同参数下存在着倍周期、倒倍周期分岔等复杂非线性现象。本文的分析结果表明,超磁致伸缩材料的弹性模量、压磁系数、相对磁导率和系统阻尼系数等参数是超磁致伸缩换能器系统动力学特性的主要影响因素。

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。

柱形磁致伸缩换能器辐射板的强迫振动规律

以柱形磁致伸缩换能器为对象,建立了其辐射板在磁致伸缩棒通过弹簧作用下的运动模型,给出了求解方法和级数解并讨论了弹簧刚度对辐射板振幅的影响,对合理确定换能器辐射板结构、尺寸和弹簧刚度以及优化系统工作参数等具有指导意义。

磁致伸缩换能器辐射板位移放大机构设计

磁致伸缩换能器是一种将电磁能转换成机械能或声能的器件,具有分辨率和响应频率高、性能稳定、机械强度好等优点,在声学领域得到了广泛的应用。但由于其产生的位移小,不能很好地满足现代设备对换能器大功率、小体积、高声强声源的需求。针对这一问题,利用柔性铰链的无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点,设计基于柔性铰链的磁致伸缩换能器辐射板位移放大机构,并运用有限元软件对微位移放大机构的整体放大倍数进行有限元分析。

低频大功率超磁致伸缩换能器的热磁设计研究

针对影响低频大功率超磁致伸缩(GMM)换能器性能的励磁线圈进行设计分析,对作为换能器主要热源的激励线圈设计了几种散热方案。各种方案的实验对比表明,采用适当的线圈设计参数和散热方案,能有效提高激励线圈的电磁转换效率,增加换能器的最大工作电流,从而充分利用大功率换能器中GMM的潜在性能空间。

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。

Terfenol-D磁致伸缩换能器驱动热声制冷系统的实验研究

基于热声效应的原理设计了应用(Terfenol-D)磁致伸缩换能器驱动的热声制冷实验系统,实验结果表明:以空气为工质,在很短的工作时间内,制冷机取得了明显的温降。

超磁致伸缩换能器的磁滞非线性动力学仿真

在超磁致伸缩材料输出端位移假设的基础上,建立了以输出顶杆为研究对象、考虑材料内部磁滞非线性及预压弹簧特性的超磁致伸缩换能器非线性动力学模型;并将Simulink仿真系统应用到超磁致伸缩换能器系统动力学仿真中.仿真结果表明:换能器模型系统为稳定周期运动系统,并具有滞回非线性特性;弹簧非线性项中的平方项是影响换能器模型系统的主要因素.经验证,数值计算结果与文献给出的试验测试结果吻合较好.

磁致伸缩换能器谐振腔声场分析

针对磁致伸缩换能器驱动谐振腔声场波形,在理论分析管中驻波声场的基础上,利用有限元软件ATILA进行磁-机耦合与气-固耦合分析,得到换能器通入1 000～6 000 Hz六组交变电流激励下谐振腔产生的声压值大小;提取对应六组交变电流的换能器辐射板位移大小,得到了谐振腔内声压值随换能器辐射板位移值的变化规律。结合实验发现在通入换能器电流强度不变的情况下,可以通过增大电流频率的方式增大谐振腔内声压值,从而提高热声制冷机的制冷能力。利用实验室热声制冷机对仿真结果进行验证,发现实验结果与模拟结果基本一致,验证了模拟结果的准确性,同时也为实际工况选择提供了依据。

超磁致伸缩换能器驱动器设计

稀土超磁致伸缩换能器是一种新型的可控震源。本论文针对稀土超磁致伸缩换能器并结合浅层地震勘探的特点,研制了稀土超磁致伸缩换能器驱动器。该驱动器由计算机PCI总线FPGA信号发射卡、IGBT驱动器、IGBT逆变器及电源组成。由该驱动器和稀土超磁致伸缩换能器组成震源系统,将其应用于浅层地震勘探模型试验中,取得了良好的效果。

磁致伸缩换能器磁路结构对驱动磁场均匀性的影响

磁致伸缩换能器驱动磁场是否均匀对其工作性能有显著影响。本文采用ANSYS程序分析了不同磁路结构对螺线管驱动磁场均匀性的影响,从而确定了提高磁场均匀性的方法和措施,为磁致伸缩换能器的磁路设计提供参考。

超磁致伸缩换能器几何非线性特性分析

针对超磁致伸缩材料存在的换能器碟簧非线性刚度特性,建立了具有碟簧刚度的平方和立方非线性特性的超磁致伸缩换能器复合非线性数学模型.应用多尺度法得到了超磁致伸缩换能器几何非线性振动系统响应的解析解和频响特性表达式.计算了其有无切削力两种情况下的数值解和解析解,并分析比较了其数值解和解析解的时域波形,同时得出了实际磁性参数下的频响关系曲线,分析了外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对频响关系式的影响.结果表明:数值解和解析解的时域波形基本一致,满足实际要求.外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对超磁致伸缩换能器的频响特性有明显影响,并且是研究换能器非线性刚度特性必须考虑的.

一种确定磁致伸缩换能器电气模拟参数的方法

通过对磁致伸缩换能器的电气模拟电路进行分析,研究了圆图概念在确定其电气模拟参数的应用,提出了用曲线拟合先求磁导率,再求其电气参数的方法,该方法相对传统的"谐振-反谐振"实验法能更准确地确定磁致伸缩换能器的电气模拟参数。此方法是一种新型的确定磁致伸缩换能器电器模拟参数方法,其在磁致伸缩换能器研究及应用领域具有一定的实用价值。

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%。