超磁致伸缩器件的数值计算模型

为了分析超磁致伸缩器件中的磁机械耦合问题,提出了一个非线性有限元模型,它是建立在能量变分基础上的。在处理磁机械耦合问题时采用了弱耦合解法。该有限元模型的特点是考虑了弹性模量随磁场的变化。用这个模型计算了一组用不同方法制备的超磁致伸缩材料ＴｅｒｆｅｎｏｌＤ的饱和磁致伸缩量值,并与测试结果作了比较,从而证实了这个模型的正确性。     

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。     

考虑磁致伸缩效应永磁电机的振动噪声研究

硅钢片的磁致伸缩是永磁电机产生振动噪声的原因之一。本文基于压磁方程,建立了考虑磁致伸缩效应的磁-机械耦合模型,给出求解区域内的基本假设及相应的边界条件,以一台11k W永磁同步电机为例,应用有限元计算了在理想电流和实验电流供电下由电磁力和磁致伸缩效应两种振动源单独和共同作用时引起的振动;在此基础上分析了电机周围的声场分布。为了验证模型,对该永磁电机的振动和噪声分别进行了实验研究。理论计算与测量结果的比较验证了该耦合模型的正确性,为在设计阶段计算永磁电机振动噪声大小、分布和寻求新的降噪措施,提供了理论依据和计算方法。     

考虑磁致伸缩效应的永磁同步电机磁-机械耦合模型

在永磁同步电机振动噪声的计算过程中,需考虑磁致伸缩效应的影响。建立了考虑磁致伸缩效应的定子铁心磁-机耦合模型,解析计算了电磁力密度及磁致伸缩力密度。数值计算了定子振动位移、振动速度和声压分布。所得结果与定子铁心在电磁力单独作用下的振动噪声响应进行了对比。在考虑磁致伸缩效应时,定子齿径向力密度幅值比电磁力单独作用时增加了13. 1%,定子铁心的变形量比电磁力单独作用时变形量增加了13. 4%,声压级也明显增加。对比表明,磁致伸缩效应对于电机振动噪声有重要贡献。在低噪声永磁同步电机的研发设计阶段,不能忽略磁致伸缩效应的影响。     

超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型

稀土一铁超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，其应用越来越受到人们的关注。为了有效地设计、开发超磁致伸缩材料的器件，必须建立材料器件的输入输出模型。利用能量变分原理，针对研制的超磁致伸缩致动器，建立了系统的磁一机械强耦合模型，并应用有限元法计算了致动器的输入电流与输出位移的关系曲线。计算值与实验值比较吻合，表明所建立的模型能够反映致动器的输入输出关系，模型对于设计超磁致伸缩器件、优化设计方案具有重要意义。     

磁致伸缩、压电层状复合磁电传感器非线性动态有限元模型

基于磁致伸缩材料标准平方模型和压电材料线性本构关系,应用Hamilton变分原理建立了磁电传感器的磁-机-电耦合特性的动力学方程。建立的动力学方程考虑了磁致伸缩材料的磁滞现象和E效应的影响。应用所建立的模型求解了LT型磁致伸缩/压电磁电传感器的输出特性,与实验结果进行对比发现模型可较准确地预测磁电传感器在不同偏置磁场和交流驱动磁场激励下其输出电压随时间的变化关系。当偏置磁场为22.1kA/m,正弦交流驱动磁场为7.4kA/m、频率为100Hz时,计算结果和实验结果误差为0.9%。同时,应用该模型还可以确定磁电传感器的最大交流驱动磁场。     

考虑磁致伸缩效应的电机应力数值仿真与实验

电机振动噪声的来源之一是电机定子铁心硅钢片的磁致伸缩效应。首先建立电磁-机械耦合数值模型,并在有限元分析软件中进行计算,研究磁致伸缩力单独作用与电磁力单独作用对电机定子硅钢片的影响。数值仿真结果表明:电机定子结构中磁致伸缩力为主要应力来源,定子铁心硅钢片中低频振动频率为供电频率的1倍频率与2倍频率。根据仿真思路设计实验,取出电机转子以保证主磁路通过电机定子,通过振动测量设备采集电机定子表面的振动信号进行分析,对仿真结果进行证明。计算理论与实验方法对分析磁致伸缩效应对电机定子振动噪声的影响具有重要的指导意义,对电机低噪声化的研究具有一定的学术意义和参考价值。     

考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

非晶合金用于电机铁心可极大地提高电机效率,然而,其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性（即磁致伸缩逆效应）在增大铁心振动噪声的同时,限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。该文提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制,以抑制非晶合金开关磁阻电机电磁振动的减振思路。首先,基于宏观热力学理论,建立考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系;其次,提出非晶合金开关磁阻电机的定子齿加压结构,并考虑静态预应力、脉动电磁应力对非晶合金磁特性的影响,构建开关磁阻电机力-磁双向动态耦合模型并求解;最后,计算应力作用前后定子铁心的磁通密度分布。通过实验与仿真对比发现,定子齿加压结构的径向电磁应力可减小44.5%,因此该减振方法具有可行性。     

机械应力下电工钢片磁滞与磁致伸缩回环滞后特性模拟

机械应力会影响电机铁心材料的磁滞回环特性和磁致伸缩回环特性,进而影响电机损耗与振动等运行性能,为此需要在电工产品设计阶段有效模拟电工钢片磁滞-磁致伸缩应变-机械应力的耦合关系下的磁特性。基于磁畴能量极小值的原理,该文提出改进的磁畴结构模型（ADSM）实现电工钢片在机械应力下磁滞与磁致伸缩回环滞后特性表征。引入磁滞能量密度函数描述磁滞和磁致伸缩回环滞后效应,引入磁弹性能考虑机械应力对磁特性的影响,使用多个晶粒磁特性的平均值来表示多晶结构电工钢片的磁特性,最后通过模型结果与实验测量数据对比,验证了该改进的ADSM较传统模型更能有效地表征电工钢片的磁滞与磁致伸缩滞后特性,为准确计算铁心的损耗与振动性能奠定基础。     

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。     

应用光纤Bragg光栅的新型直流电流测量方法

光学电流互感器因具有许多传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点,具有广阔的应用前景,但目前国内应用于直流测量的研究报道较少。为此基于光纤Bragg光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应,提出了一种新型直流电流测量方法。在详细分析超磁致伸缩材料(GMM)调制光纤光栅时存在的磁滞非线性以及测量精度的温漂问题后,通过施加合适的偏置磁场、预压应力,改善了磁滞非线性特性,利用光纤Bragg光栅的可串联特性设计温度补偿系统,解决了温漂问题,实现了光纤Bragg光栅(FBG)波长漂移量与轴向应变量的线性调谐关系,并以此设计了实验样机。实验表明,该装置具有结构简单、线性度好、灵敏度高等特点。该方法为高压直流输电电流检测提供了一种新的有效手段。     

无源自适应磁流变阻尼器磁致伸缩逆效应的建模与实验研究

制作了一种基于磁致伸缩逆效应的无源自适应磁流变阻尼器,通过超磁致伸缩材料的逆效应,将外加机械能的变化转化为阻尼器内部磁能的变化,进而控制阻尼间隙处阻尼力的大小,达到预期抗拉目的.为了研究活塞杆上下振动过程中由超磁致伸缩材料引起的阻尼器内部磁场分布的变化规律,应用磁机械效应方法定律对阻尼器的关键技术——磁致伸缩逆效应建立...     

超磁致伸缩振动传感器输出特性的实验研究

超磁致伸缩材料Terfenol-D在机械应力作用下,磁化强度会发生变化,这种效应为逆磁致伸缩效应或Villari效应,利用该效应可以制作将机械能转换成电能的振动传感器。进行振动传感器的实验研究,结果表明在合适的偏置磁场和较小的预应力偏置条件下,传感器输出的感应电压峰-峰值较大,传感器输出感应电压的峰-峰值和输入振动信号的频率和幅值成正比。基于电磁学原理和铁磁材料的磁化强度模型,计算振动传感器的偏置磁场和预应力对感应电压输出的影响,并计算振动传感器在机械振动输入条件下的感应电压输出,实验结果与计算结果基本相符。实验结果和计算结果为振动传感器的优化设计和应用打下基础。     

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.     

磁致伸缩换能器材料的物理特性

用磁性物理的理论解释了磁致伸缩的产生机制,分析了磁致伸缩材料在磁化过程中的物理特性,指出了使用磁致伸缩换能器的物理条件。文末还介绍了磁致伸缩换能器材料的最新发展动态。     

Magnetoelectric Effect in Composites of Magnetostrictive and Piezoelectric Materials

In the past few decades, extensive research has been conducted on the magnetoelectric (ME) effect in single phase and composite materials. Dielectric polarization of a material under a magnetic field or an induced magnetization under an electric field requires the simultaneous presence of long-range ordering of magnetic moments and electric dipoles. Single phase materials suffer from the drawback that the ME effect is considerably weak even at low temperatures, limiting their applicability in practical devices. Better alternatives are ME composites that have large magnitudes of the ME voltage coefficient. The composites exploit the product property of the materials. The ME effect can be realized using composites consisting of individual piezomagnetic and piezoelectric phases or individual magnetostrictive and piezoelectric phases. In the past few years, our group has done extensive research on ME materials for magnetic field sensing applications and current measurement probes for high-power electric transmission systems. In this review article, we mainly emphasize our investigations of ME particulate composites and laminate composites and summarize the important results. The data reported in the literature are also compared for clarity. Based on these results, we establish the fact that magnetoelectric laminate composites (MLCs) made from the giant magnetostrictive material, Terfenol-D, and relaxor-based piezocrystals are far superior to the other contenders. The large ME voltage coefficient in MLCs was obtained because of the high piezoelectric voltage coefficient of the piezocrystals and large elastic compliances. In addition, an optimized thickness ratio between the piezoelectric and magnetostrictive phases and the direction of the magnetostriction also influence the magnitude of the ME coefficient.     

超磁致伸缩材料的伸缩特性及其磁感应强度控制原理及方法的实现

超磁致伸缩材料 (GiantMagnetostrictiveMaterial,简称GMM )是近年来发展起来的一种新型功能材料。在分析了磁致伸缩现象产生的唯象机理的基础上 ,建立了超磁致伸缩材料的控制模型 ,提出采用磁感应强度作为控制量的原理及其在执行器中的具体实现方法 ,并对采用电流强度 (磁场强度 )和磁感应强度作为控制量的两种控制方法进行了对比分析和实验研究 ,得出了基于磁感应强度的控制方法可提高超磁致伸缩微位移执行器的线性度和控制精度并减小滞回的结论。     

电抗器铁芯振动噪声的多场耦合分析方法

针对电抗器铁芯磁致伸缩导致的振动噪声问题,提出在瞬态电磁场方程和结构力场方程及声场方程的基础上建立物理模型。从多物理场耦合的角度,对一台三相串联铁芯电抗器的磁场分布、铁芯磁致伸缩位移、铁饼间的麦克斯韦力、应力和声压级进行计算。对磁致伸缩和麦克斯韦力作用下的振动位移和声场分布分别分析,得出磁致伸缩是电抗器铁芯振动的主要原因。实验研究表明,增加修正系数后的电抗器振动噪声仿真结果与实测得到的电抗器振动噪声基本一致,满足工程需要,证实多场耦合分析方法可用于电抗器设计阶段对铁芯噪声进行预估。