偏置磁场对稀土超磁致伸缩换能器性能的影响研究

摘要

随着科技的进步，对智能材料的研究及其在各个领域的应用引起越来越多的重视。稀土超磁致伸缩材料是一种在磁场的作用下可以发生较大变形的新型磁功能材料，该材料在各类型的换能器中都得到了广泛的应用。稀土超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，具有高效的机电转换效率，但由于稀土超磁致伸缩材料在磁致伸缩效应作用下产生的应变只与外加磁场的大小有关而与其方向无关，所以使得换能器在交变电流的作用下会出现倍频效应。在实际应用中，倍频效应会使得换能器的性能下降且转换效率变低，因此需要在磁致伸缩换能器中添加偏置磁场以消除倍频效应。本文主要从偏置磁场的角度出发分析其对磁致伸缩换能器性能的影响，主要研究内容及结论如下：
　　(1)研究了磁致伸缩换能器中提供偏置磁场的永磁体基本结构参数对换能器性能的影响。通过有限元模拟软件COMSOL Multiphysics建立磁致伸缩换能器的模型，分析提供偏置磁场的永磁体结构参数。结果表明：磁致伸缩棒中的磁场分布及换能器的输出位移都随着永磁体厚度的增加而变好，但考虑厚度的增加会引起换能器体积增大及散热变差，所以选取永磁体厚度为7mm；综合考虑磁棒磁场均匀性，磁场强度，输出位移，散热性能等，综合考虑选取永磁体与线圈之间的间距为2mm。
　　(2)分析了偏置磁场对换能器中磁致伸缩棒磁场及输出特性的影响。将90 mm圆筒状永磁体均匀分割成30层3 mm小圆环状永磁体，分析圆环状永磁体层数及圆环状永磁体在换能器中分布的均匀性对换能器磁致伸缩棒中磁场及应变的影响。结果表明：圆环状永磁体数量的增加对Ter fe no l-D棒中磁场及应变的影响是有限的，在一定范围内影响明显，超过一定范围内后影响变小。在本模型中，当永磁体数量大于8层之后，磁致伸缩换能器磁场及输出应变随着永磁体数量的增加变化缓慢并逐渐趋于饱和状态；磁场及输出位移随着永磁体分布均匀度的增加而增大，其中输出位移呈近似于线性增加。
　　(3)研究了预应力及偏置磁场耦合作用对换能器输出性能的影响。首先，对换能器进行参数扫描分析，得到不同预应力作用下时磁致伸缩棒的磁致伸缩应变曲线，随着预应力的增加，磁致伸缩应变系数λ先呈线性增加趋势随后增加趋势变缓；其次综合考虑偏置磁场与预应力同时作用时对换能器输出特性的影响，当永磁体层数为两层，预应力的增加对换能器位移幅值的变化影响整体较小，之后随着永磁体层数的增加，位移幅值随预压力的变化趋势有细微的差别，但总体趋势相似，都呈缓慢增加趋势。
　　通过本文的研究，得到了偏置磁场对磁致伸缩换能器性能的影响，相关结论为磁致伸缩换能器在实际中的应用提供一定理论指导。

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第1章 绪 论

1. 1 稀土超磁致伸缩材料及其特性

1. 2 稀土超磁致伸缩换能器的结构及工作机理

1. 3 磁致伸缩换能器倍频效应分析及偏置磁场装置选择

1. 4 本文的选题依据及主要研究内容

第2章 稀土超磁致伸缩换能器中偏置磁场装置的结构参数分析

2. 1 有限元模拟软件介绍

2. 2 换能器中偏置磁场的施加装置分析及有限元模型建立

2. 3 换能器中提供偏置磁场的永磁体结构参数分析

2. 4 本章小结

第3章 偏置磁场对磁致伸缩换能器磁场及应变的影响

3. 1 换能器中永磁体结构分析

3. 2 圆环状永磁体层数对换能器性能的影响

3. 3 圆环状永磁体分布均匀性对换能器性能的影响

3. 4 本章小结

第4章 预应力及偏置磁场耦合作用下换能器输出性能的影响

4. 1 预应力对磁致伸缩材料性能的影响分析

4.2 偏置磁场作用下预应力对磁致伸缩换能器输出特性的影响

4. 3 不同偏置磁场作用下预应力对换能器动态输出特性的影响

4. 4 本章小结

第5章 总结与展望

5. 1 论文总结

5. 2 工作展望

参考文献

致谢

附录：个人简历、攻读学位期间发表的学术论文