Terfenol-D高频磁滞特性测试与分析*

郜春艳,黄文美,刘卓锟,曹晓宁

(河北工业大学,省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津 300130)

稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D,因其具有磁致伸缩应变大(～1 600 ppm)、响应速度快(纳秒级)、工作频带宽、能量转换效率高等特点,广泛应用于国防军工、航空航天、电子机械、海洋科学及近海工程、仪器仪表、主动减震降噪系统等领域[1-2]。由于材料具有非常好的导热能力,使得其在大功率超声应用领域的优势十分显著。这些应用绝大多数都需要超磁致伸缩材料工作于高频激励条件下[3-5],此时材料的非线性磁滞特性会随着频率增大而显著增强,电磁损耗特性也越来越复杂[6]。因此研究高频驱动条件下Terfenol-D材料的动态磁滞特性,是大功率超磁致伸缩换能器结构设计、模型研究以及温控系统设计的重要前提和基础[7-8]。

文献[9]考虑到动态驱动下Terfenol-D内部磁场分布不均匀,结合动态J-A模型,改进了磁滞模型,较好的预测其磁滞特性以及损耗变化规律,但其只适用频率低于500 Hz的情况。文献[10]提出了Fe-Ga合金磁化强度随应力变化的模型,搭建了力传感特性测试平台,可以对不同材料的力传感特性进行测试与对比分析,但测试仅限于对饱和磁场要求较低的材料。文献[11]对传统硅钢片的铁芯损耗计算式进行改进,使其适用范围扩展至高频高磁密幅值的情况,使得铁耗计算值和实验值具有很好的一致性。对于饱和磁场较高的超磁致伸缩材料来说,其磁滞特性的研究多数集中于中低频的磁滞模型建立和分析[12-15]。本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D为研究对象,测试了不同驱动磁场频率和磁密幅值下的动态磁滞回线,分析损耗和磁参数随驱动磁场频率和幅值而变化的规律性;对电磁损耗进行分离计算,获得各项损耗的计算值,探究各项损耗随驱动磁场频率和幅值的变化规律。

1 测试系统及原理

1.1 测试系统

实验中Terfenol-D为方形环状样品,首先将其制成外边长为10 mm,内边长为5 mm,其厚度为2 mm的方形薄片样品。驱动线圈选用20匝、线径为0.5 mm的漆包线;取样线圈选用10匝、线径为0.15 mm的漆包线。基于Terfenol-D薄片的动态磁特性测量系统如图1所示。

图1 Terfenol-D动态磁特性测量系统

其工作原理:为了给驱动线圈提供所需的正弦交变磁场,首先由信号发生器向功率放大器中输入给定频率的正弦交变电流。同时感应电动势从取样线圈的两端产生。环中磁场强度的变化由采样电阻上的电压反映;同时积分放大电路和取样线圈相连,通过放大电路中电容电压来反映材料中磁感应强度的变化。用示波器同时采集通过积分放大电路的感应电动势和通过采样电阻的驱动线圈的信号,将采集到的数据导出到计算机中,并绘制出动态磁滞回线。

图2 测试系统原理图

1.2 测试原理

该测量原理图如图2所示,其中驱动线圈中的电流信号,经采样电阻Rc变为电压信号,由安培环路定律和欧姆定律可算得Rc两端电压为:

HL=Nhi+Nbi′

(1)

(2)

式中:L为样品的平均周长,Nh、i分别为驱动线圈的匝数和电流,Nb、i＇分别为取样线圈的匝数和电流。在L、Nh和RC为一定值时,采样电阻上的电压uc与磁场强度H成线性变化。取样线圈两端的感应电动势u经积分放大电路进行放大,获得取样线圈的磁密幅值。

(3)

式中:Sb为Terfenol-D方环样品的横截面,由式(3)可知取样线圈的电压随着磁场强度的变化而变化。假设Q为一段时间内电源向积分放大电路中电容C得所充的电量,此时取样线圈的自感电动势、内阻忽略不计,则

u=i′R+uc

(4)

(5)

若选取的R、C足够大,则

u≈i′R

(6)

(7)

将式(3)、式(6)代入式(7)得:

(8)

(9)

再通过在积分电路的放大器放大磁密信号,则

(10)

2 动态磁滞回线的测量与分析

本文研究驱动磁场频率和磁密幅值变化对Terfenol-D的动态磁滞特性的影响,分别测试了不同驱动磁场频率f(1 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz)和不同磁密幅值Bm(0.02 T、0.04 T、0.06 T、0.08 T)时的动态磁滞回线,从所测得的曲线上可以获得最大磁感应强度,最大磁场强度,矫顽力,剩磁等磁特性参数,同时可通过计算磁滞回线的面积来获得磁损耗。

2.1 不同驱动磁场频率时的动态磁滞回线

图3为Terfenol-D在Bm为0.05 T时,测得不同磁场频率1 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz下的动态磁滞回线。可以看出,在设定的磁密幅值下,无论频率如何变化,动态磁滞回线均呈现为椭圆形,且曲线随着频率的增加横向变宽,面积不断增大。

图3 不同频率的动态磁滞回线

图4为当Bm=0.05 T时,测得不同磁场频率下的矫顽力Hc,数值分别为717.3 A/m、938.1 A/m、1 139.1 A/m、1 379.5 A/m、1 872.1 A/m,计算出各频率段的斜率分别为55.2、40.2、24.04、16.42。由图可知,矫顽力随着驱动磁场频率增加而增大。但随着频率增加,矫顽力增速放慢,说明低频驱动下Terfenol-D的矫顽力受频率变化的影响较大;在高频情况下,受频率变化的影响较小。

图4 不同频率的矫顽力测量

图5为当Bm=0.05 T时,测得Terfenol-D在不同磁场频率下的剩磁Br,数值分别为0.030 9 T、0.031 3 T、0.031 7 T、0.032 2 T、0.033 0 T,其对应斜率为1×10-4、8×10-5、5×10-5、2.67×10-5,从图6可见,当驱动磁场频率增加时,剩磁也随之增大,但剩磁增速减慢。说明低频驱动下Terfenol-D的剩磁在受频率影响较大;在高频情况下,受频率影响较小。

图5 不同频率的剩磁变化曲线

图6为Bm=0.05 T下,测得在不同磁场频率下的总损耗,分别为8.519 W/kg、54.594 W/kg、134.628 W/kg、325.831 W/kg、1 098.662 W/kg。各频率段的斜率分别为11.52、16.01、19.12、25.76。磁损耗的数值随着驱动磁场频率增加而增大。随着驱动磁场频率增加,损耗的增速增加,表明低频驱动下Terfenol-D的损耗受频率影响较小;而在高频下,磁损耗随着频率急剧增加。而从数值上看,驱动磁场频率为50 kHz的损耗为1 kHz的130倍,因此高频下的电磁损耗不可忽略。

图6 不同频率下的损耗变化曲线

2.2 不同磁密幅值下的动态磁滞回线

图7为在f=20 kHz时,磁密幅值分别为0.02 T、0.04 T、0.06 T、0.08 T情况下测得的一组动态磁滞回线。由图可知,动态磁回线为一系列同心椭圆。当磁密幅值增加,磁滞曲线横向变宽,面积不断增大。

图7 不同磁密幅值的动态磁滞回线

图8 不同磁密幅值的矫顽力变化曲线

图8为f=20 kHz时,磁密幅值分别为0.02 T、0.04 T、0.06 T、0.08 T情况下测得的矫顽力Hc,分别为590.8 A/m、1 115.9 A/m、1 648.9 A/m、2 102.3 A/m。由图可知,随着磁密幅值的增加矫顽力Hc近似线性增大,说明在磁密幅值较大情况下,矫顽力受其影响较大。

图9为f=20 kHz时,磁密幅值分别为0.02 T、0.04 T、0.06 T、0.08 T测得的剩磁Br分别为0.011 T、0.024 T、0.039 T、0.058 T,其对应的斜率为0.65、0.75、0.95。从图10可见,当磁密幅值增加时,剩磁的数值逐渐增大,但剩磁增加的速率减慢。说明剩磁在低频情况下受频率影响较大;在高频情况下,受频率影响较小。

图9 不同磁密下剩磁的变化曲线

图10为在驱动磁场为20 kHz,改变磁密幅值时测得的损耗分别为54.359、206.186、459.421、821.354 W/kg。各磁密段的斜率分别为7 591.35、12 661.75、18 096.65。从图可见,当磁密幅值增加,损耗的数值增大。随着幅值增加,损耗的增速在加快。说明损耗在较大饱和磁密的情况下,受其影响较大;反之,受其影响较小。而从数值上看,饱和磁密为0.08 T的损耗为0.02 T的15倍。

图10 不同磁密下损耗的变化曲线

3 电磁损耗的计算及其变化规律

当Terfenol-D受到驱动磁场的作用,在其内部产生磁损耗。动态磁能损耗按作用机理可分为磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗[8,16-17]。此项实验通过测量Terfenol-D的损耗变化曲线,获得分离后的各项损耗,分析其变化趋势。

单位体积内的总损耗计算式为:

(11)

式中:ph为磁滞损耗,pe为涡流损耗pa为异常损耗。kh和∂为磁滞损耗系数,ke为涡流损耗系数,ka为异常损耗的系数。损耗系数为因变数,随着频率和磁密幅值而变化。

式(11)两边同时除以f,得出:

(12)

式中:将Bm设为定值时,把p/f作为纵轴,f,1/2作为横轴,根据不同磁密幅值时,从1 kHz到50 kHz的实测损耗数据来作出p/f与f,1/2的关系曲线,再通过多项式曲线拟合获得系数kh,∂,ke和ka,算出各项损耗的数值,探究各项损耗的变化趋势。

图11 不同频率时损耗随磁密的变化曲线

图12 不同幅值时损耗随频率的变化曲线

图13 各项损耗随频率的变化曲线

图13为磁密幅值为0.05 T时,根据计算式得出各项损耗数值,作出其随着频率的变化曲线。计算出1 kHz下涡流损耗数值为0.27,而频率为50 kHz时数值却为614.7。同时在频率为50 kHz时,涡流损耗是磁滞损耗的2倍,说明涡流损耗受频率的影响最大。

在图14为各项损耗占总损耗的百分比随频率的变化曲线,可以看出磁滞和涡流损耗比重较大,异常损耗比重较小;磁滞损耗比重在逐渐减少;涡流损耗比重随着频率而快速增大,尤其是50 kHz下,涡流损耗的百分比为56.5%,成为总损耗的主体;异常损耗比重也随频率增大而增大,增速逐渐变得平缓。由此可知,在设计换能器时,其频率低于20 kHz时工作性能较好,可以通过将材料切片,降低涡流损耗,提高能量的转换效率。

图14 各项损耗所占比重随频率的变化曲线

4 结论

①在高频交变驱动磁场和不同磁密幅值下,所测得的动态磁滞回线呈现为椭圆形,且随着频率和磁密幅值的增加,曲线横向变宽,面积增大;当频率一定时,矫顽力、剩磁和损耗随磁密幅值增加而增大。矫顽力和剩磁增速却在减小,而损耗增速在增大;

②当磁密幅值一定时,矫顽力、剩磁、损耗随着驱动磁场频率增大而增大。同时随频率增加,矫顽力在匀速增长,而剩磁和损耗增速在减小。

③磁滞和涡流损耗所占比重较大,异常损耗较小。随着频率增加,磁滞损耗数值增大,其比重逐渐减少;涡流损耗数值和比重同时增大,增速较大;异常损耗数值和比重同时增大,增速平缓。在高频下,涡流损耗成为磁损耗的主要部分,因此想要合理利用超磁致伸缩材料的高频特性,必须设法降低涡流损耗,进一步提高能量的转换率。

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