电磁换能器加载效率的优化设计与仿真

林志琦，赵江托，施欣蓉，张睿

（长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012）

电磁换能器加载效率的优化设计与仿真

林志琦，赵江托，施欣蓉，张睿

（长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012）

针对传统的电磁超声换能器导线与铝板间由于集肤效应导致加载效率较低这种情况，设计了一种改造电磁超声加载线圈和整体结构的新型电磁超声加载装置。基于有限元仿真软件，分别建立传统与新型的电磁超声加载器的有限元分析模型，并对其激发过程进行仿真，将两模型所得仿真结果（铝板内洛伦兹力，交变电流密度）进行分析对比。得出结论：新型的电磁超声设计能够显著提高加载效率。

电磁超声换能器；洛伦兹力；交变电流密度；加载效率

无损检测是在不影响或不破坏被测试件的情况下使用的一种检测技术［1］。当前经常用到的无损检测方式有射线照相检验、超声检测、磁粉检测、液体渗透检测、电磁超声检测等［2］。其中电磁超声是一种在原理上不同于压电超声检测的新型检测技术［3］。

本文以铝合金板材表层检测为背景，采用有限元仿真软件对电磁超声换能器进行三维模型建立并仿真分析。本文主要研究传统电磁超声换能器在工作中几个主要物理场图形分布，进而在外界加载条件不变的情况下，重新设计新型电磁超声加载装置并进行仿真分析，同样得到几个主要物理场图形分布［4］。两者进行对比得出结论：新型的电磁加载装置能够显著的提高电磁加载效率。

1 电磁超声换能器的工作原理

由于电磁超声激励的不同，以较为常见的电磁超声换能器的换能原理来简单介绍电磁加载在铝板中激发超声波的原理。如图1所示，在曲折线圈下方的被测试件内部及周围空气中会产生一个由永磁体激发的磁场强度为B的偏置磁场。激励线圈受到脉冲或时谐电流的激励、在被测试件表层产生一个交变的电磁场，在试件内部感生出涡流［5］，在偏置磁场的作用下感生的涡流产生交变的洛伦兹力，被测试件中质点在洛伦兹力的作用下产生机械振动，从而产生与激励电流频率一样的超声波［6］。

图1 电磁超声换能器的换能原理图

2 电磁超声换能器的三维建模

2.1 本体建模

电磁超声换能器的电磁场模型主要包括永磁铁、曲折线圈、铝板、和空气场等部分［7］。其中曲折线圈介于铝板和永磁体之间。

为建立和仿真电磁超声换能器产生的表面波，首先确定表面波的波长，从而确定换能器中激励频率（高频电流）和曲折线圈的结构参数。选用高频电流是频率为500KHz，幅值为10A的两个周期的正弦电流，超声波的频率与高频电流频率相同。已知超声波在铝板中的传播速度约为3000m/s，则由公式：波长=速度/频率，可知超声表面波波长约为6mm。为了满足表面波波长干涉条件，所以需将曲折线圈相邻导线间间距定为表面波波长的一半，即为3mm［8］。并采用有限元软件进行三维建模和仿真分析。

建立的传统模型的各个具体参数如下：曲折线圈导线长10mm，宽0.5mm，厚0.5mm，相邻导线的距离3mm；铝板长10mm，宽20mm，厚1.4mm；永磁体长10mm，宽8mm，厚2mm；铝板和曲折线圈间的提离距离设为0.6mm；空气模型稍稍大些。其中材料选用铝板，铜质的曲折线圈，永磁体材料选择空气，它们的相对磁导率和相对介电常数均为1。如图2所示是传统电磁超声换能器有限元仿真模型，此图是略去空气场的三维模型。

图2 电磁超声换能器的三维模型建立

2.2 仿真结果及分析

仿真结果主要从铝板中的磁通密度，电流密度和铝板上某个点的洛伦兹力和交变电流密度随时间变化的曲线这四个方面进行分析。

铝板上的磁场可以分为两个部分：永磁体提供的静态磁场和线圈产生的交变磁场。如图3所示是永磁体在铝板表面产生的静磁场的磁通密度图。从图中可以看出永磁体在铝板表面产生的静磁场是不均匀的，边缘磁感应强度最强，中心相对稍弱［9］。如图4所示是曲折线圈在铝板表面产生的交变磁场的电流密度图，其形状与曲折线圈的形状类似，主要集中在曲折线圈的下方，但磁场强度比永磁体产生的静磁场要小的多，这主要是铝板内产生涡流的原因。

图3 永磁体在铝板中产生的静磁场的磁通密度

图4 曲折线圈在铝板中产生的交变磁场的电流密度

为了解铝板内洛伦兹力的具体情况，在铝板上取了一个比较典型的点A点（A点坐标为0.45×106，如图5所示）进行有限元仿真。如图6所示，是铝板上A点处洛伦兹力随时间变化的曲线图。从曲线图中看出z轴方向上的洛伦兹力明显强于x轴、y轴方向上的洛伦兹力，即靠近磁铁边缘处z轴方向上的洛伦兹力较强。如图7所示，是A点处电流密度随时间变化的曲线图，从图中看出A点y轴方向上的电流密度明显大于其他两个轴上电流密度，其电流密度的最大幅值为1.6×107A/m3。

图5 铝板上A点的位置

图6 A点处洛伦兹力随时间的变化曲线

图7 A点处电流密度随时间变化的曲线图

3 新型电磁超声加载器的三维建模

3.1 本体建模

设计的新型模型与传统模型采用相同的加载条件，对导线施加相同频率和幅值的高频发射电流。同时所建新型电磁场模型的各个具体参数与传统模型的参数基本相同。其不同主要是新型电磁场模型的线圈是两根平行的导线并且线圈和铝板间的提离距离变为0，其余均未发生变化。

加载高频电流的线圈为两根平行的导线，导线的上方为施加相反方向磁场的两块定向永磁体，导线的下方为铝板，导线和铝板间的提离距离为0。由于导线和铝板直接接触则能够大大减小导线在铝板内产生的涡流，所以在铝板内不会产生集肤效应。如图8所示是新型电磁超声加载器有限元仿真模型，此图是略去空气场的三维模型。

图8 新型电磁超声加载器的三维模型

3.2 仿真结果及分析

仿真结果依然主要从铝板中的磁通密度，电流密度和铝板上某个点的洛伦兹力和电流密度随时间变化的曲线这四个方面进行分析。

图9 永磁体在铝板中产生的静磁场的磁通密度

图10 两平行导线在铝板中产生的交变磁场的电流密度

如图9所示是永磁体在铝板中产生的静磁场的磁通密度图。如图10所示是两根平行导线在铝板表面产生的交变磁场的电流密度图。从基本模型的分析可知，交变磁场在铝板表面的电流密度图仍同导线分布大体相同。

同样，为了解铝板内洛伦兹力的具体情况，在铝板上取一个比较典型的点A点（A点的坐标为（6.3，10，1.4），如图11所示）进行有限元仿真。已知铝板内各处洛伦兹力的各个方向分量的峰值出现在两平行导线的正下方，并且各个位置的x，y，z分量所占的比重也并不相同。通过有限元仿真得到A点处洛伦兹力随时间变化的曲线图，如图12所示。从曲线图中看出x轴方向上的洛伦兹力明显强于y轴、z轴方向上的洛伦兹力，即靠近磁铁边缘处x轴方向上的洛伦兹力较强。同时，通过有限元仿真也可得到A点处电流密度随时间变化的曲线，如图13所示。从曲线中可以看出A点在y轴方向上的电流密度远大于x，z轴两个方向上的电流密度，其值为5.0×107A/m3。

图11 铝板上A点的位置

图12 A点处洛伦兹力随时间的变化曲线图

图13 A点处电流密度随时间变化的曲线图

4 结论

传统电磁超声换能器与新型电磁超声加载器在相同加载条件下，主要从铝板上一个特殊点的处洛伦兹力的大小与电流密度的幅值大小进行对比，进而得出结论。

如表1所示为两模型在相同加载条件下的特征对比表：

表1 传统与新型电磁超声模型在相同加载条件下特征对比表

通过以上分析可以看出，新型的电磁超声加载器与传统的电磁超声换能器相比较，传统的线圈与铝板之间由于提离距离所产生的涡流以及永磁体产生的静磁场同曲折线圈产生的交变磁场共同作用产生的洛伦兹力都小于导线同铝板接触的新型电磁超声加载器直接产生的电流所激发的这些物理量。

由此得出结论：这种新型的电磁超声加载装置能够显著的提高电磁加载效率。

［1］张艳浩.非铁磁材料的电磁超声换能器设计［D］.天津：河北工业大学，2012.

［2］崔玲丽，康晨晖，张建宇，等.金属磁记忆在齿轮早期微裂纹检测中的应用［J］.北京工业大学学报，2012，38（10）：1441-1445.

［3］高文凭.金属板电磁超声导波机理研究与仿真分析［D］.沈阳：沈阳工业大学，2011.

［4］高志勇.电磁超声激发系统仿真分析与实验研究［D］.天津：河北工业大学，2013.

［5］李莺莺.油气管道在线内检测技术若干关键问题研究［D］.天津：天津大学，2006.

［6］杨理践，张路遥，高松巍.电磁超声表面波产生机理的ANSYS仿真［J］.通信市场，2009（11）：186-191.

［7］刘素贞，张闯，金亮，等.电磁超声换能器的三维有限元分析［J］.电工技术学报，2013，28（8）：7-12.

［8］李智超.基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器建模及仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［9］王淑娟，康磊，赵再新，等.电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计［J］.中国电机工程学报，2009，29（30）：123-128.

The Optimization Design and Simulation
of Electromagnetic Transducer’s Loading Efficiency

LIN Zhiqi，ZHAO Jiangtuo，SHI Xinrong，ZHANG Rui

（School of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012）

Because of the skin effect between the wire and the aluminum plate，the traditional electromagnetic ultrasonic transducer’s load efficiency is low.In view of this situation，we design a novel electromagnetic ultrasonic loading device which have transformed the loading coil and the whole structure.Based on the finite element simulation software，the traditional and novel electromagnetic ultrasonic loader finite element analysis models were established separately.After simulating the excitation process，we can get the simulation results（the Lorenz force in aluminum plate，the alternating current density）of the two models.After analyzing and contrasting the simulation results，we get the conclusion：the novel electromagnetic ultrasonic design can effectively improve the loading efficiency.

electromagnetic acoustic transducer；Lorenz force；the alternating current density；the loading efficiency

TM15

A

1672-9870（2017）01-0102-04

2016-09-15

林志琦（1964-），男，教授，E-mail：550979759@qq.com