热声制冷机中磁致伸缩换能器设计及特性分析

本文针对传统驱动方式热声制冷机效率低的问题,提出一种用磁致伸缩换能器驱动热声制冷机的设计方案。磁致伸缩换能器作为热声制冷机的驱动器,其输出特性对热声制冷机制冷效果至关重要。基于此对磁致伸缩换能器开展了从超磁致伸缩材料几何参数、激励线圈最佳电磁转换效率和内部磁路3个方面的优化设计研究,最后对换能器输出特性进行了仿真分析。结果表明:在4.6 kHz时位移最大,输出位移达到63μm,满足驱动热声制冷机需求。

超磁致伸缩换能器磁场强度建模与线圈优化分析

磁场强度是决定换能器性能的关键变量,为了提高超磁致伸缩换能器(GMA)的磁场强度和输出位移,本文提出了一种新型的弓张式发音振子结构,用COMSOL软件建立二维模型,得到超磁致伸缩材料(GMM)棒内部磁场分布情况。由于弓结构内部空间受限,对激励线圈进行优化,讨论了导线经验模型、静态电阻和电感模型的适用性,建立了线圈的平均磁场模型,以线径为决策变量,计算了正弦响应下不同线径的振幅比和相位滞后。结果表明:该模型在计算电阻和电感时的相对误差分别小于5.3%和4.1%。在预测正弦响应时,计算振幅比的误差低于6.6%(在大多数条件下低于1.8%),计算滞后相位的误差低于3.4%。较宽的导线直径对提高磁场振幅有较大的帮助,但对磁场的相位滞后性影响很小。

钴铁氧体磁致伸缩超声换能器设计及输出特性

传统镍基材料和稀土基材料磁致伸缩系数小、涡流损耗大、制备成本高,采用钴铁氧体作为磁致伸缩超声换能器的驱动核心可实现在高频条件下的稳定服役和大功率输出。基于钴铁氧体磁致伸缩特性,设计了谐振频率30 kHz的纵振磁致伸缩超声换能器,使用有限元仿真对钴铁氧体磁致伸缩换能器进行动力学与磁场分析。对钴铁氧体磁致伸缩超声换能器进行阻抗匹配并测试其输出特性,实验测试了样机谐振频率、输出振幅与工作温度。结果表明:换能器采用钕铁硼建立的偏置磁场,磁感应强度为0.1~0.25 T(301~653 Oe),使钴铁氧体处于最佳驱动区内(250~750 Oe);换能器振幅输出和工作温度随着驱动电压的增大而增大,在驱动电压为12 V、信号增益为20 dB条件下换能器实际谐振频率为29.8 kHz,输出振幅可达3.75μm,稳定工作温度60℃,该实验结果验证了钴铁氧体在磁致伸缩换能器领域的可靠性与应用潜力。

磁致伸缩贴片换能器除冰的仿真模拟与实验研究

本文提出了一种基于Fe-Co磁致伸缩材料贴片换能器激发SH_(0)波产生界面剪应力的除冰方法,SH_(0)是一种非频散的导波模态,在导波能量传递上具有衰减小的优势。换能器结构采用了互相垂直的偏置磁场与交变激励磁场,通过有限元方法对试验覆冰铝板进行仿真分析,得出换能器在16 kHz的激励频率下产生最大界面剪应力,激励电流为2 A时,剪应力达到0.7 MPa,超过了除冰所需要的0.4 MPa标准。在-15℃的冰箱中对200 mm×200 mm×1 mm的覆冰铝板进行了除冰实验测试,激励电流为2 A时,除冰工作在1 min左右完成,除冰功耗仅为0.46 W/cm^(2)。设计的磁致伸缩贴片换能器可为小体积、低功耗的超声除冰技术发展提供支持。

窗型超磁致伸缩换能器的设计与试验研究

该研究研制了一种窗型结构(双棒结构)超磁致伸缩换能器。等效电路法设计了换能器,以输出端振幅最大、稀土棒内磁场均匀和棒内小峰值应力为目标,有限元方法优化了其结构尺寸,并仿真计算了阻抗圆、输出端振幅随激励电流变化的规律,以及工作频率点处温升与时间的关系。测试了换能器样品,结果表明:测试频率为19.64 kHz,设计值为19.45 kHz;1 A激励电流的位移振幅测试值为6.1μm,计算值为6.3μm;电声效率测试值为52.58%,计算值为41.51%;试验测试1 A电流工作15 min后温度升为45.5℃,仿真计算的温度升为47.8℃。试验测试与理论计算基本吻合。

考虑永磁体偏置的超磁致伸缩换能器磁能损耗分析

研究超磁致伸缩材料的损耗特性是掌握换能器热特性与优化设计的关键,当超磁致伸缩棒材工作在永磁体偏置磁场中,内部磁畴状态变化使得材料的损耗特性发生改变,进而对超磁致伸缩换能器(giant magnetostrictive transducer,GMT)的磁能损耗计算产生了较大挑战。因此,提出考虑永磁体偏置的换能器磁能损耗计算方法,首先,基于超磁致伸缩材料磁化和磁畴理论,推导永磁体偏置条件下的超磁致伸缩换能器磁能损耗数学机理模型。然后,利用微元思想,建立考虑永磁体偏置及棒材轴向磁场分布不均匀影响下的换能器磁能损耗计算模型,并通过有限元方法验证了模型的有效性。最后,搭建超磁致伸缩换能器损耗特性测试平台,通过分析不同工况下换能器的磁能损耗特性,验证所提模型的准确性。实验结果表明:提出的考虑永磁体偏置影响下的损耗计算模型,在换能器励磁频率50~1050Hz、磁通密度幅值0.01~0.25T工况下,模型结果与实测数据的平均误差为2.93%,可有效分析超磁致伸缩换能器的磁能损耗。

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。

考虑压力变化的超磁致伸缩超声换能器动态模型

Terfenol-D是一种超磁致伸缩材料,它在变化的磁场作用下可以产生较其他磁性材料大得多的形变,可以作为改动材料应用于超声换能器中,但是这种材料的发热问题制约超磁致伸缩超声换能器功率的提升。超磁致伸缩超声换能器的热量主要来自Terfenol-D材料内部的涡流损耗和磁滞损耗,涡流损耗可以通过将材料切片的方式有效地减小,因此磁滞损耗就成了换能器的主要热源。本文提出一种考虑应力影响的基于反向Jiles-Atherton磁滞数学模型的新模型,并将它与时步法电磁场有限元分析法相结合,进行磁滞损耗的计算。将磁滞损耗作为热源进行温度场分析,得到超磁致伸缩超声换能器的温度分布,为超磁致伸缩换能器散热系统的设计提供了指导依据。

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。

超磁致伸缩功率超声换能器热分析

超磁致伸缩材料能量密度高,导热性相对较好,由其制造的功率超声换能器能做成很大功率,但因为此类换能器总处在高强度高频率磁场中工作,各种损耗很严重,带来的热量非常大,而超磁致伸缩材料对外界温度又很敏感,故热分析是该类换能器设计的重要方面。该文设计了换能器及其冷却系统,以考虑涡流损失和附加损失的Jile-Atherton模型为基础,提取了模型参数,计算得到了换能器的损耗总量;用有限元方法计算了冷却水流场分布和换能器温度场分布;对样机进行了试验,实验与计算结果吻合良好。

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。

超磁致伸缩超声换能器结构研究

为了实现大功率、大振幅的超声振动输出,设计了一种新型的超磁致伸缩超声换能器,换能器的形状是一个窗形的结构,用ANSYS软件对设计的超磁致伸缩换能器进行动力学分析,验证了设计方法的有效性。采用ansoft Maxwell软件分别对窗形换能器和棒形换能器进行了磁分析,发现窗形换能器的磁路是一个闭合的磁路,漏磁较少。分别对窗形换能器和棒形换能器的阻抗和振幅进行测量。结果表明,窗形换能器和棒形换能器的谐振频率基本一致,窗形换能器的阻抗比棒形换能器的阻抗要小很多,但是在相同的驱动电压下,窗形换能器的平均振幅大约是棒形换能器平均振幅的1.5倍。窗形换能器的阻抗小、结构紧促、输出振幅大,是未来超磁致伸缩换能器发展的新方向。

磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率。换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1．30 kHz,-3 dB带通Q值1．43,谐振频率下发射电压响应级135．1 dB。

低频大功率稀土磁致伸缩弯张换能器的有限元设计理论及实验研究:Ⅰ.理论部分

首次分析了磁致伸缩换能器各组件有限单元中的能量关系，由此导出了磁致伸缩换能器有限元设计的动力学方程；计算了Ⅶ型弯张换能器壳体及弯张换能器的振动模态，指出在诸模态中存在一呼吸模式，技能器若是工作在这一呼吸模式上，将能获得较大的体积速度及较高的声源级。

超磁致伸缩功率超声换能器的振动分析

基于电磁原理和弹性体振动理论,分析了超磁致伸缩功率超声换能器的工作原理,研究了超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,简称GMM)在外磁场驱动下的非线性动态特性;推导出TerfenolD棒的波动方程和波动方程稳态解的表达式。用MATLAB 70软件对理论分析结果进行仿真,并进行了相应实验验证。

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。

超磁致伸缩超声换能器的结构与谐振频率分析

基于电路理论和系统动态方程提出了超磁致伸缩换能器的系统化整体结构设计方法。建立了超磁致伸缩超声换能器的有源元件Terfenol -D棒和各振动组件的机电等效电路 ,与电路理论相类比推导出谐振状态的频率方程 ,求解频率方程得出换能器各部分的结构尺寸。以这些尺寸为依据 ,用数值计算软件计算磁致伸缩棒中磁场分布情况。用有限元法建立了换能器的磁 -机械耦合动态方程 ,结合磁场分布情况 ,求解动态方程得出谐振频率 ,与给定谐振频率对比并校核原结构设计 。

超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注.将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标.介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义.