不同磁致伸缩材料的高频磁能损耗分析与实验研究
省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的研究人员翁玲、常振、孙英、王博文、黄文美，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，引入小磁滞回线下磁能损耗数学模型，使用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了Fe-Co-V、Terfenol-D与Fe-Ga合金样品的高频磁滞回线，利用实验测试结果结合数学模型对比分析了三种材料的磁导率幅值、介质损耗因数、介质储能和电磁损耗变化规律。
当励磁磁场频率为50kHz时，随着磁感应强度的增加，Terfenol-D和Fe-Ga合金的介质损耗因数近似线性增加，三种合金样品的电磁损耗均增大。当磁感应强度为0.03T时，随着励磁磁场频率的增加，Fe-Co-V、Fe-Ga合金磁导率幅值都先增大后减小，Terfenol-D合金的介质储能增加最快并且其电磁损耗随频率增速最快。在1～40kHz内Fe-Ga合金的电磁损耗高于Fe-Co-V合金，在40～60kHz内Fe-Ga合金电磁损耗低于Fe-Co-V合金。该文结果为磁致伸缩材料的电磁损耗分析与高频器件设计提供了依据。
先进的软磁材料表现出高频率、高磁通密度以及微型化、多功能两种并存的发展格局，一些先进的电工软磁材料得到快速发展，特别是以Fe-Co-V、Terfenol-D与Fe-Ga合金为代表的磁致伸缩材料被广泛应用，对电力器件的影响深远。
Fe-Co-V合金具有极高的饱和磁感应强度（2.4T）和居里温度（980～1100℃）、饱和磁致伸缩系数（60～100× 10-6）大，适用于质量轻、体积小的航空元器件（如继电器、电磁铁、微特电机等），但该合金的电阻率（0.27Ω·m）低，在高频下使用时受磁能损耗影响较大。Terfenol-D合金是一种磁致伸缩系数（2000× 10-6）大、能量密度高和响应速度快的磁致伸缩材料，在大功率超声（f ≥20kHz）、声呐等应用领域有显著优势，然而该合金材料在高频驱动过程中产生磁滞，影响器件的能量转换效率。
Fe-Ga合金具有磁导率高、应力灵敏度高、饱和磁场较低等优点，广泛应用于新型传感器件、振动发电领域，而影响Fe-Ga合金器件性能的关键指标是Fe-Ga合金的磁导率和电磁损耗[9-10]。因此，三种不同磁致伸缩材料在高频领域进行器件设计时，高频磁能损耗分析是研究与其相关的合金器件结构设计和应用的基础。
有学者研究了环状Galfenol合金的高频磁特性，重点分析了材料的磁导率、矫顽力、剩余磁感应强度和损耗随频率的变化关系。
有学者研究发现，Tbdyfe合金的电磁损耗随频率的变化曲线是抛物线型，并且涡流损耗占损耗的主要部分，利用Tbdyfe合金粉末制备了一种新型复合材料，电磁损耗受频率影响不大，主要损耗为磁滞损耗。
有学者在0.2～8GHz的频率范围内测量了软磁材料FeCoB薄膜中磁导率随外磁场强度的变化规律。
有学者建立了在交流励磁作用下超磁致伸缩材料的磁场函数，发现驱动频率将影响磁场的大小和滞后性，并且得到了适用于中低频磁能损耗计算的数学模型，分析了驱动磁场频率对复数磁导率、磁场的滞回特性以及磁能损耗的影响，但文中并没有分析材料高频情况下的电磁特性。
有学者将传统的J-A磁滞模型与瞬态涡流和剩余损耗模型相结合，建立了J-A动态磁滞模型，该模型需要的参数较多，实际工程中应用较少。
有学者提出一种改进铁耗计算模型，能够反映出高频高磁密时叠片材料内的涡流趋肤效应、动态磁滞回线和畴壁运动的变化规律，并且实验测量结果与计算结果有较好的对应性。
有学者改进了Steinmetz损耗方程，提出在对称和非对称磁感应波形下对不同软磁材料的损耗预测方法，经过实验测量与计算结果对照，证明了该方法的工程实用性。
有学者设计了一种双线圈铁镓合金磁滞伸缩换能器，利用磁能与机械能的转换关系分析了该换能器在不同磁场频率下的能量储能、电磁损耗以及机械能变化规律。
由于磁致伸缩材料的多样性以及高频下磁滞特性的复杂性，不同磁致伸缩材料的损耗特性随频率变化情况对比分析较少。河北工业大学的研究人员针对在相同工程背景下磁致伸缩器件在设计过程中所遇到的材料选取问题，从不同磁致伸缩材料的磁导率、介质损耗因数、介质储能和电磁损耗等方面对比分析Fe-Co-V、Terfenol-D与Fe-Ga合金的磁能表现，引入小磁滞回线磁能损耗模型，利用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了典型磁致伸缩材料Fe-Co-V、Terfenol-D、Fe-Ga合金在不同励磁磁场频率和不同磁感应强度下的动态磁滞回线，对比分析三种材料在不同条件下磁能损耗影响因素，为磁致伸缩新型器件的优化设计和应用提供了理论与实验参考。
图1 实验测试平台
研究人员最后得出如下结论：
1）当交变励磁磁场频率为50kHz，施加在样品上的磁感应强度为0.01～0.03T时，Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的磁导率分别增加了6.44%、21.57%和31.72%；Fe-Co-V合金的损耗因数变化波动较小，而Terfenol-D合金和Fe-Ga合金的损耗因数都近似线性增加，分别增加了44%和59.52%；Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的电磁损耗分别增加了7.96倍、9.26倍和8.48倍，在同一磁感应强度下，Terfenol-D合金的电磁损耗最大，Fe-Ga合金的电磁损耗最小。
2）在最大磁感应强度为0.03T，励磁磁场频率为1～60kHz时，Fe-Ga合金的磁导率最大，Terfenol- D合金的最小；Fe-Co-V合金和Fe-Ga合金的介质损耗因数都逐渐增大，Terfenol-D合金的介质损耗因数先增大后趋于稳定；Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的介质储能分别增加78.73倍、112.40倍和67.25倍；励磁磁场频率为1～20kHz时，Fe- Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的电磁损耗分别增加了152.03倍、33.59倍和29.39倍，Terfenol-D合金的电磁损耗最大，Fe-Co-V合金的电磁损耗最小；当励磁磁场频率为20～60kHz时，Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的电磁损耗分别增加了7.42倍、3.26倍和4.11倍。