高频驱动超磁致伸缩致动器的磁场设计论文[大全5篇]

第一篇：高频驱动超磁致伸缩致动器的磁场设计论文

超磁致伸缩材料（UMM）主要是指以Fe2化合物为基体的合金。作为高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸缩材料有着输出位移大、抗载能力强、磁机转换效率高以及响应速度快等性能优势，但是国内对超磁致伸缩致动器（UMA）的研究仍然存在以下几个方而问题：一是较多地集中在准静态或者低频域的范围内，对高频域内的研究较为薄弱；二是设计过程中，对于超磁致伸缩致动器的磁场多以轴线方向上磁场强度为检验和设计标准，不利于建立精确的三维空间磁场数值计算模型。针对上述问题，本文设计出一款用于高频的超磁致伸缩致动器，在ANSYS平台上建立了精确的励磁线圈空间磁场模型，对磁场均匀性，以及交流驱动磁场与静态偏置磁场进行了仿真与分析。

1。高频驱动的超磁致伸缩致动器设计

高频域下的UMA与工作于静态（准静态）的UMA存在异同。本文参考传统静态超磁致伸缩致动器的设计方法，同时考虑了交流电驱动引起的非线性因素，设计出高频驱动下小物理体积、大能量输出的超磁致伸缩致动器。

在合适的偏置磁场下，可使UMM棒工作于伸缩性能良好的线性区域。此时，当输入为交变磁场时，超磁致伸缩棒将会产生与交变磁场同频率的交变输出位移，使得UMM棒体发生位移振动的运动。偏置磁场下正弦信号、方波信号驱动磁场时UMM的振动输出原理图。

与传统的压电材料相比，超磁致伸缩材料具有优良的磁弹性能，其反应速度快，响应时间极短，可达6 —10 s，而且其能量密度高达14—25 m。为此，在高频率的驱动磁场下，将会产生极快的响应与极高的振动能量输出，充分发挥出超磁致伸缩材料优良的材料性能。

2高频UMA动态磁场有限元分析

2。1静态驱动磁场分析

通过对激励线圈磁场模型的分析，掌握了螺线管内部磁场分布特性，为驱动线圈设计尺寸的选择与优化提供了理论基础。而在具体器件应用中，磁场的分布情况还与器件结构尺寸、漏磁情况及材料的磁导率有着密切关系，在超磁致伸缩致动器的磁场设计中，需要对这些因素进行综合考虑。如果采用理论磁场计算方案对UMM棒内部磁场进行计算，则必须要而对理论磁场数学建模难度过大的难题，可操作性不强。为此，采用基于“场”的有限元方法完成对超磁致伸缩致动器磁场的整体设计与分析。UMA的闭合磁路主要由底座、下导磁块、UMM棒、上导磁块、输出轴及壳体组成。

虽然UMM棒体为叠片式结构，但在静态电流驱动时不存在涡流影响，可视UMM棒为轴对称结构，忽略少量的不对称结构影响，UMA可以看作完全轴对称结构，在建模过程中采用轴对称建模方法，只需建立其轴对称截而即可模拟整个UMA的模型，使计算量大大降低。对所建立的模型进行网格划分、加载与求解。

从分析结果可见，驱动线圈所产生的大部分磁力线通过UMM棒，经过上导磁块、输出轴、外壁底座与下导磁块形成闭合回路。虽然输出轴与外壁之间存在少量间隙，但由于空气磁导率较小，漏磁极少。从磁场强度分布来看，分布在UMM棒上的磁场强度较大，磁能较多地用于对UMM棒的驱动，说明所设计的UMA磁路合理。

2。2交流驱动磁场设计有限元分析与激励频率讨论

在交流驱动磁场下，电阻率将会在UMM棒中产生涡流，而涡流将会对UMM棒产生涡流热效应与集肤效应影响，涡流热效应通过温度变化影响超磁致伸缩材料的各项性能，集肤效应则会引起超磁致材料内部磁场非线性问题。给出了不同驱动频率的电流下UMA磁场强度分布状况。

从结果可以看出，在交流电驱动下，UMM棒中磁场分布具有如下特点：1）在交流电流驱动下，沿着UMM棒体径向方向上，呈现出靠近轴线方向上磁场强度小，远离轴线处的磁场强度大的特点；2）随着驱动频率逐渐增大，分布在UMM棒体上的磁场强度整体逐渐减小。在越靠近轴线处，磁场强度降低幅度更大，当驱动频率达到600 H2时，轴线处磁场强度减小到零，而远离轴线靠近棒体外径处，磁场强度变化量很小。

UMM棒体内磁场分布特点，证明了交流驱动时磁场分布集肤效应导致UMM棒中各部分伸长不均匀，使得UMM棒外表伸长量大于内部伸长量，进而引起UMM棒芯部出现应力集中现象，从而影响UMM使用寿命与材料性能。为了充分发挥超磁致伸缩材料的性能优势，将UMM棒体沿轴向切割为多层叠片，使用绝缘的环氧树脂对各叠片进行粘贴，达到抑制涡流效应的作用。

3偏置磁场设计及优化

在实现偏置磁场的仿真过程中，采用圆筒永磁铁、圆柱永磁铁及偏置线圈组合作用或单个作用的多种不同设计方案。UMA结构优劣评判及最优偏置磁场设计方案见表

4结论

1）以超磁致伸缩驱动棒尺寸、偏置驱动磁场大小及交变磁场幅值基本参数为基础，完成应用高频驱动的超磁致伸缩致动器设计。

2）在ANSYS平台上建立了用于的高频驱动励磁线圈的磁场强度模型，完成了UMA静态磁场仿真，对不同激励频率下UMA磁场分布进行了讨论。

3）对不同驱动频率下，径向方向上磁场强度进行均匀度分析。分析结果表明，驱动频率越大，驱动磁场的径向均匀性越差。

第二篇：磁致伸缩材料在超声波发生器

磁致伸缩材料在超声波发生器中的应用

关键词：智能材料 超磁致伸缩材料 超声波发生器

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

磁致伸缩材料（magnetostrictive material），具有显著磁致伸缩效应的、可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等的一种智能材料。

磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现，利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件，也早有实际应用，但由于其磁致伸缩量小，从而被以PZT(代表性的压电材料由Pb(Zr，Ti)O3 构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。开发具有更大磁致伸缩效应的材料，提高磁致伸缩材料应用范围一直是人们追求的目标。20世纪7O年代在重金属Tb，Dy等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象。随后开发出室温下磁致伸缩系数高达(1～2)×10的三次方的TbFe 金属间化合物，这种巨大的磁致伸缩现象称为超磁致伸缩效应。

在现有的超声传感器中，主要有基于压电效应的压电传感器和基于磁致伸缩效应的磁致伸缩传感器。机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜材料的出现，使得压电传感器在工业上的应用最为广泛，压电式超声传感器效率高但对温度比较敏感，热的、机械的及化学的性能也不稳定，限制了在某些领域的应用；磁致伸缩式超声传感器和压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体等相比，超磁致伸缩材料具有下列优点：磁致伸缩应变λ 比纯Ni大50倍，比PZT材料大5～25倍，比纯Ni和N卜Co合金高400 ～800倍，比PZT材料高14～30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约为10 mm 的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200 kg的推力：能量转换效率(用机电耦合系数K。表示)高达70，而Ni基合金仅有162／5，PZT材料仅有40～60 ；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间(由施加磁场到产生相应的应变λ 所需的时间称为响应时间)仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率(几十至1 000 Hz)下工作，工作频带宽；稳定性好、可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化；无疲劳、无过热失效问题。

原理：磁致伸缩式超声传感器是利用材料的磁致伸缩效应及其逆效应进行工作的。当铁磁材料置于磁场中时，它的几何尺寸会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。在超声技术中最常用的铁磁材料有镍或它的合金。根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应等。

如果在圆柱形磁致伸缩材料中，既有沿长度方向即圆柱轴向的磁场B1，同时又有绕轴的周向磁场B2，那么合成的磁场将是螺旋形的，当其中任何一个磁场变化时，将产生沿螺旋方向的伸缩并激发出扭转波，这就是维德曼(Wiedeman)效应；若在圆柱形磁致伸缩材料中，有一恒定的轴向磁场B2，当施加变化的轴向磁场B 时，将沿轴向激发出纵波，也就是焦尔效应。当扭转波或纵波在磁致伸缩材料中传播，将在磁致伸缩材料中激发出磁场，这就是磁致伸缩逆效应，分别称为沃特海姆效应和维拉里效应。

设计的磁致伸缩式超声传感器使用有恒磁特性的磁致伸缩材料，如铁钴钒合金，对该材料进行磁化后，材料中将产生很强的周向剩磁B0，当在环绕磁致伸缩丝的线圈中通脉冲电流时，材料中产生轴向脉冲磁场B1，在两个正交磁场作用下，就产生磁致扭转效应，激发出扭转波；当扭转波在磁致伸缩丝中传播时，磁致伸缩丝中因磁致伸缩逆效应产生磁场，磁场穿过环绕磁致伸缩丝的线圈时，在线圈中产生感应电动势，传感器接收超声扭转波信号。如果在磁致伸缩丝外侧加一轴向恒定外磁场，材料中将感应出恒磁场B2，这样，材料中存在B0、B2两个恒磁场，由于轴向磁场B2远大于周向磁场B0，当在环绕磁致伸缩丝的线圈中通脉冲电流时，材料中激发出脉冲磁场B1，在磁场 B2和 B1的相互作用下，产生焦耳效应，并激发出纵波；同样，当纵波在磁致伸缩丝中传播时，磁致伸缩丝中因磁致伸缩逆效应产生磁场，磁场穿过环绕磁致伸缩丝的线圈时，在线圈仔产生感应电动势，传感器接收超声纵波信号。

21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获取将逐渐从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一个庞大的系统，他包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像的系统以及图像识别系统等。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是超磁致伸缩材料。发展超磁致伸缩材料将对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。

电磁超声波探伤仪器，依据对比试样调整设备同心和设置探伤报警门限，后对钢管进行探伤。缺陷波高达到或超过门限，判为探伤不合格，钢管分选。在实际对数千吨热扩无缝钢管进行探伤后，从探伤结果看，检测结果准确，为热扩管产品质量把关提供了可靠的保证。特别是对一些肉眼不易发现的小缺陷，只要其深度当量值达到报警门限，没有出现漏检。下面是我们进行实际探伤中检测出的几种典型的缺陷。

超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如，用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷(PZT)材料来制造。他仅能制造小功率(≤2．0 kw)的超声波换能器，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率(6~25 kw)的超声波换能器。随着超声技术在农业中的应用逐步开展，对探索大功率、高频、高声强和低频不同脉冲超声（此类设备仪器须带有超声参量的自动控制程序）等条件下，作物诱变育种效应的研究，提出更有效的实验依据和手段。同时，超声也可与远红外线辐射育种和处理农作物种子的技术结合起来进行，以诱发突变，从中选育出优良变异个体，通过一系列育种程序，培育新品种，国外已有了这种试验，效果还算不错；超声在药材种植生产上的应用前途和潜力还很大，对促进国家药材生产的发展具有较大的实际意义；超声为农、林、牧业上的人工增雨方面也作出了一定的贡献。

超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如他可使废旧轮胎脱硫再生；可加速化工过程的化学反应，有重大的经济、社会和环保效益。用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20～100，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型(平板型)喇叭，振动力大、音质好、高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

第三篇：先进材料基础-磁致伸缩效应

《先进材料基础》结课论文

磁致伸缩效应

专业班级 姓 名

学 号

授课教师

引言

磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。

磁致伸缩效应的原理

小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。图1中即为长度随磁场强度变化的理想化。

磁畴的重新定位的物理背景在于简要、纲要性的描述（如图2）。在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。由材料如何形成所决定的内容或许是其通常的定位形式的一小部分，显出其永久性的偏磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料的基本结构和材料化学成分均匀性有很大联系。在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。

磁致伸缩效应分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，所以人们研究应用的主要对象是线磁致伸缩，而体积磁致伸缩由于变化量很小，在测量和研究中很少考虑，线磁致伸缩的变化量级为10～10。

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磁致伸缩材料的分类

磁致伸缩材料已发现并制造了许多种，可分为金属与合金、铁氧体以及新开发的新型磁致伸缩材料：

[1]金属与合金材料

金属与合金材料的特点是机械强度高，性能比较稳定，适合制作大功率的发射换能器，缺点是换能效率不高，如纯镍的电声转换效率约为30%，这意味着要输出10千瓦的声功率时，电振荡器输出功率就需要30千瓦左右，这势必使超声频电振荡发生器要做得很庞大。此外，金属材料的涡流损耗也较大。典型材料有：

镍：这是最早使用的磁致伸缩材料，其特点是在磁场强度或磁感应强度增大时，它的长度变小。镍的电阻率较低，涡流损耗较大（在制作时可以通过把它压延成薄片后以层间绝缘的方式迭制来减少涡流损耗）。此外，其价格昂贵，故目前已多采用其合金，如镍铁-45%Ni最为常用，还有镍钴铬合金等。

铁铝合金：这种材料的价格比较低廉而受到广泛应用。其机械性能较脆是它的弱点，但仍可压延成片使用，此外，其耐蚀性也尚不致有太多影响，其性能接近低镍含量的铁镍合金。

铁钴钒合金：这种材料的磁致伸缩效应比镍还强，居里温度也比镍高得多，而且还具有恒磁性，但是它的性能与热处理关系极大（化学成分和热处理都是合金特定状态-磁畴形成的重要条件）。此外还有铁钴合金（由等份量的铁和钴组成，具有很高的饱和磁导率。

[2]铁氧体

铁氧体，是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料，通常是以四氧化三铁（Fe3O4）为基体再加入其他成分烧结而成，因而便于直接烧结成所需的几何形状。铁氧体材料的优点是电声效率高，由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小，而且磁致伸缩效应显着，适合用作接收换能器，此外，其价格低廉也是重要的优点之一。

典型的铁氧体材料有镍铁氧体、镍钴铁氧体、镍铜钴铁氧体等。

[3]新型磁致伸缩材料

铁系非晶态强磁体：非晶态金属是一种原子排列杂乱无序（类似液体），结构稠密的固体金属，这是特异状态的物质，是由熔融金属高速冷却制成的。它具有较强的韧性和较大的变形能力，耐蚀性也很强。由于非晶态金属的原子排列无秩序，在原理上不会存在结晶体的磁性能各向异性。含有多量铁的非晶态强磁性体具有很大的磁致伸缩效应和高磁导率等，是优良的电声换能材料。

四氧化三铁系统材料：这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴、氧化硅和氧化钛，从而可以消除四氧化三铁磁性能上的各向异性，控制它的低电阻抗值，获得较高的磁致伸缩性能，可用到高压力和变温度的苛刻工作环境中去。

磁致伸缩材料的制备

磁致伸缩材料的制备方法主要是定向凝固法和粉末冶金法。定向凝固法

定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制合金样品的宏观晶体取向和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。在理想情况下,希望样品的轴向为< 111 > 晶向,但实际上合金自身的特性及凝固方法的特点决定了获得理想凝固组织是非常困难的。定向凝固法又包括丘克拉斯基法、布里奇曼法和区熔法(或浮区法)。

丘克拉斯基法,是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度向上提拉,以这个小籽晶为基底,发生晶粒长大,长大方式为平面长大方式,长大以后的晶体取向与该籽晶晶体的取向一致,因此通过控制籽晶的晶体取向可以获得<111> 取向的合金样品。

布里奇曼法是将母合金置于Al2O3 坩埚内整体加热熔化,然后向下抽拉熔化合金逐渐移出加热区,并发生顺序凝固以形成定向凝固组织。采用籽晶技术将可以获得<111> 取向的合金样品。

区熔法(或浮区法)是将合金棒置于一单匝感应线圈中,当感应线圈从合金棒的一端移向另一端时,整个合金棒顺序经历了一次熔化凝固过程,从而形成定向凝固组织。

粉末冶金法

粉末冶金法包括烧结法和粘结法。

烧结法制备稀土磁致伸缩材料的主要工艺过程是,将一定成分合金在氩气的保护下破碎,在酒精介质中球磨,真空干燥后在模具中压制成型,然后在氩气保护下烧结。成型时应用磁场取向和磁场热处理可提高合金的磁致伸缩性能。

粘结法是指将经过冶炼、研磨的合金粉末与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂均匀混合,然后压制、挤出或注射成型制成一定形状的复合材料的过程。

应用

磁致伸缩材料可以制成功率电-声换能器、电-机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。

磁(电)-声转换技术中的应用

磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频(<2 kHz)响应好、频带宽等特点, 是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。因而磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料。

磁(电)-机转换器件中的应用

磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器, 具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点, 而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势,用精密致动器,位移精确度可达纳米级, 响应速度快, 输出力大, 设计相对简单。

磁致伸缩液位仪

由三部分组成：探测杆，电路单元和浮子组成。测量时，电路单元产生电流脉冲，该 脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。在探测杆外配有浮子，浮子沿探测杆随液位的变化而上下移动。由于浮子内装有一组永磁铁，所以浮子同时 产生一个磁场。当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生一个“扭曲”脉冲，或称“返回”脉冲。将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号，从而计算出浮子 的实际位置，测得液位。燃料注入阀

由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针。驱动线圈中的电流为零时，阀针将燃料流关闭；驱动线圈中通有电流时，阀针打开允许燃料流通过。

可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染。应用：汽车和飞机等内燃机。检测领域中的应用

利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。

结语

磁致伸缩材料作为三大智能材料之一,由于其优异的性能特点,正受到相关学者的广泛关注,其应用范围涉及到传感器、流体机械、磁电-声换能器、微型马达、超精密加工领域等,充分显示出了磁致伸缩材料的巨大潜力。从目前发展的趋势可以看出,形态上的薄膜化、微型化将成为具有潜力的发展方向,而执行与传感功能融合形成的具有自感知功能的执行器将成为磁致伸缩材料器件研究的前沿。在未来对磁致伸缩材料的研究过程中,亦有必要不断进行成分调整和掺杂研究,不断提高其响应速度、饱和磁致伸缩系数、可控性、刺激转换效率等,使磁致伸缩材料应用到地震工程、生物医学工程、环境工程等新领域中。