学术简报︱考虑预应力的双励磁线圈铁镓换能器输出特性
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、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室的研究人员翁玲、梁淑智、王博文、黄文美、孙英，在2019年第23期《电工技术学报》上撰文，为了研究铁镓换能器在不同频率磁场下的输出变化规律，设计一种双励磁线圈的铁镓换能器，分析不同预应力下的静态和动态输出特性。
研究不同频率下的磁滞特性，通过磁场能和机械能之间的转换关系，确定不同预应力下输出机械能和频率的关系。
结果表明：同一预应力下，静态应变和输出位移随着磁场的增大先逐渐增大后趋于饱和；同一频率下，静态应变和输出位移随预应力的增加先增加后减小，在2MPa时输出位移数值最大。同一预应力下随着频率的增加，动态输出位移最大值逐渐减小；同一频率下随着预应力的增加，最大位移值先增加后减小。
同一频率下在预应力为2MPa时磁机械耦合系数最大，输出机械能最大；同一预应力下输出机械能随着频率的增加先增加后减小，之后又逐渐增加。
磁致伸缩材料是一种具有磁致伸缩效应的智能材料，2000年A. E. Clark发现的铁镓合金，具有饱和磁场低且磁致伸缩较大、机械性能良好、环境适应性强和经济适用等优点。铁镓合金换能器是以铁镓合金为核心元件设计的器件，能够实现磁能和机械能之间的转换，在超声检测、微型电动机、无损检测等方面有重要应用。
磁致伸缩换能器的输出特性与其所受的预应力密切相关，合适的预应力可以提高换能器中核心材料的磁致伸缩系数，增大换能器的输出。
有学者研究了在一定偏置磁场下外加压应力对Terfenol-D棒的应变和磁感应强度的影响。
有学者对超磁致伸缩器件模型进行了研究，所建立的模型可以较好地描述在常应力作用下换能器的输入驱动电流与输出位移之间的关系。
有学者考虑交流驱动时的涡流效应和应力变化，建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。
有学者考虑动态应力和驱动磁场的变化，建立了磁致伸缩换能器的磁机械耦合动态模型。
有学者建立超磁致伸缩换能器的磁机械耦合模型，研究了应力场和磁场的耦合相互作用。
有学者基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理，建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型，并确定了最佳预应力，使换能器在该预应力下获得最大的超声振幅。
有学者提出了基于反向J-A磁滞数学模型的考虑应力影响的模型，对预应力下的磁滞损耗进行了计算分析，但在计算磁滞损耗的过程中没有考虑交变磁场的影响。
有学者研究磁致伸缩致动器输出位移与输入电流频率的关系，揭示了不同频率下致动器的输出位移与输入电流的变化规律，但没有考虑预应力对致动器性能的影响。
有学者描述了输入磁场与输出位移的关系，但换能器的励磁线圈采用单线圈设计，产生的磁场不均匀且磁场强度偏小。
有学者研究了铁镓换能器的静态和动态输出特性，但并没有考虑预应力的影响。
本文基于磁路理论设计了一种双励磁线圈结构的铁镓合金换能器。首先通过施加不同的预应力，对铁镓合金的阻抗频率特性进行分析，确定了不同偏置磁场下的共振频率，从而确定柔顺系数和磁机械耦合系数。利用磁致伸缩特性测量装置对换能器不同预应力下的静态输出特性进行分析，并对所建立的模型进行了验证。基于有限元法对动态输出特性进行计算，并与实验结果进行了对比分析。
测量并分析了换能器不同预应力下不同频率的动态输出特性。测量得到不同频率下的磁滞回线，确定了不同频率下磁场强度值和磁感应强度值，并利用曲线得到不同频率下的磁滞角。最后利用磁能守恒、磁能机械能转换原理，确定了不同预应力下的频率和输出机械能的关系。
图1 铁镓换能器工作原理
图2 实验平台
1）铁镓换能器的静态应变及输出位移随着频率的增加先逐渐增加后趋于饱和，随着预应力的增加饱和应变值先增加后减小，在预应力为2MPa时，饱和应变值最大为200×10-6，最大位移为7.2×10-6m。
2）同一预应力下铁镓换能器的动态最大应变值随着频率的增加逐渐减小，动态应变与磁场的关系曲线为蝶形曲线；同一频率下，随着预应力的增加动态应变的幅值先增大后减小，且预应力越大曲线越不趋向饱和。预应力2MPa、10Hz时最大输出位移7.2×10-6m。
3）铁镓合金的磁机械耦合系数随着预应力的增加先增加后减小，在2MPa时K33最大为0.28。当磁场强度值固定时，随着频率的增加，磁滞回环的面积增大，磁滞角逐渐增大。利用磁能与机械能之间的转换关系，同一预应力下，输出机械能随着频率的增加先增加后减小，之后又增加，同一频率下随着预应力的增加，输出机械能先增加后减小。