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1、河北工业大学 硕士学位论文 基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究 姓名：梁俊虎 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：王博文 2010-11 河北工业大学硕士学位论文 I 基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究 摘摘 要要 稀土超磁致伸缩材料是近几年发展起来的新型功能材料，因其具有磁致伸缩应变大， 响应速度快，能量密度高，磁机耦合系数高等特性，已经在机电领域显示出广阔的应用前 景。换能器是功率超声的核心器件，寻找、开发新材料是发展新型换能器的重要途径。稀 土超磁致伸缩材料 Terfenol-D 具有优良性
2、能，目前已经有不少研究单位将这种材料应用于 超磁致伸缩换能器中。本文以基于该新型功能类材料的换能器为研究对象，对超磁致伸缩 材料 Terfenol-D 的工作特性，超磁致伸缩换能器的磁路结构设计与数值分析等方面进行深 入与系统的研究，从而为超磁致伸缩器件的优化设计提供了理论依据。 本文首先介绍磁致伸缩现象机理，超磁致伸缩材料的主要特性，发展历史以及研究现 状，综述国内外超磁致伸缩换能器的研究情况以及存在问题，由此引出本课题选题意义并 给出相关的研究内容。 其次，系统性阐述换能器的工作原理，以及设计的一般方法。根据稀土超磁致伸缩材 料的工作特性，结合超磁致伸缩换能器设计的几个关键问题，给出了设计
3、的超磁致伸缩换 能器的结构简图，提出了超磁致伸缩换能器磁路结构设计的方法，其中包括激励线圈的设 计、偏置磁场的设计、超磁致伸缩棒处理以及漏磁场处理。 继而，介绍了有限元分析方法。利用有限元分析软件对超磁致伸缩换能器进行了有限 元分析，对磁路结构进行了相应的优化，重点研究了如何改善超磁致伸缩换能器内部磁场 大小和分布，减小涡流损耗。用有限元分析软件对超磁致伸缩换能器磁场分布以及磁场强 度大小进行有限元仿真，确定优化后换能器结构。 最后，对超磁致伸缩换能器进行了静态应变测试实验研究，通过实验数据验证了优化 的可行性，并在实验的基础上，对相似结构的超磁致伸缩换能器激励线圈匝数提出了优化 方案。总结优
4、化结论后对今后的工作进行了展望。 关键词：关键词： 有限元分析，超磁致伸缩换能器，有限元软件，磁路结构设计 基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究 II DESIGN OF MAGNETIC CIRCUIT STRUCTURE AND EXPERIMENT STUDY OF MAGNETOSTRICTIVE TRANSDUCER BASED ON FINITE ELEMENT METHOD ABSTRACT Rare-earth giant magnetostrictive materials are the new functional materials developed
5、in recent years. They have been used in many fields due to its large magnetostrictive strain, fast response time, high energy density and high magnetic coupling coefficient. Transducer is a core component of power ultrasound, and the utilization of new material is important way to develop of a new t
6、ransducer. Rare earth giant magnetostrictive material Terfenol-D has excellent performance, and now, many research institutes use this material to magnetostrictive transducer. In this paper, working characteristic of giant magnetostrictive material Terfenol-D and structure design of magnetic circuit
7、 of transducer have been analyzed in order to optimize the structure of giant magnetostrictive transducer. First, the paper introduces the magnetostrictive phenomenon mechanism, development history and the recent research results. The magnetostrictive transducers on research and the problems were re
8、viewed at home and abroad. Thus the significance of this paper topic and relevant research content are given. Secondly, the working principle, general design principle and method of the transducer have been described. According to the working characteristics of giant magnetostrictive material, the s
9、tructure diagram of giant magnetostrictive transducer is determined, combined with several key design issues. and proposed The design methods of magnetostrictive transducer have been discussed, including incentive coil design, bias magnetic coil design, GMM rod design and leakage magnetic field desi
10、gn. Then, Finite element method is introduced, and the giant magnetostrictive transducer is analyzed by using finite element analysis software to optimize the design of magnetic circuit. The efficient flux and wastage of eddy current of transducer have been discussed. The flux distribution of giant
11、magnetostrictive transducer has been analyzed by using finite element analysis software simulation and the optimizing transducer structure has been determined. Finally, the characteristic of giant magnetostrictive transducer is experimentally studied. The experimental data shows that the feasibility
12、 of optimization for the giant magnetostrictive transducer. On the basis of experiment result, the coil structure of the transducer is optimized. The further work on the future was proposed based on the result. Keywords: finite element analysis, giant magnetostrictive transducer, finite element soft
13、ware, magnetic circuit structure 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印
14、刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 1-1 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料因其具有的应变大、响应时间短、能量密度高、承载大、磁机耦合系数高等优点， 它作为一种新型的
15、功能材料拥有很广泛的应用前景。 目前， 以稀土和铁为基的超磁致伸缩材料的发展已 经引起换能应用方面的迅速发展， 尤其在换能器和致动器的应用令人瞩目。 下面将介绍磁致伸缩现象和 材料。 1-1-1 磁致伸缩现象磁致伸缩现象 物体处在磁场中，会沿着磁化方向发生伸长或者缩短的变化，去掉外磁场后，又重新恢复原来长度 的现象称为磁致伸缩现象。如图 1.1 所示，铁磁材料或者亚铁磁材料在居里温度范围内磁化后物质内部 形成磁畴，磁畴在外加磁场下会随着磁场变化方向旋转，这样磁化方向与外磁场方向变得一致，宏观显 示的效应为伸长和缩短，伸长为正磁致伸缩效应，缩短为负磁致伸缩效应1-3。这一现象早已被人们所 发现，
16、不论在过去常见的铁、钴、镍等磁性金属，铁氧体等氧化物磁体中，还是在非晶体磁性合金中这 一现象都是普遍存在的。 图 1.1 磁致伸缩现象原理 Fig.1.1 Magnetostrictive effect,schematically 1-1-2 磁致伸缩材料磁致伸缩材料 40 年代，人们已经发现铁、钴、镍以及它们的合金具有磁致伸缩现象。50 年代，Fe-13%Al 材料被 人们开发。60 年代使用铁氧体材料，由于这些材料的应变值都很小，很难广泛的应用。60 年代初，美 国海面舰艇武器中心 Clark 等人发现稀土元素铽和镝在 0K 附近的磁致伸缩应变极大，后来发现其它重 稀土元素也有这样的性质， 这要比过去任何一种材料的应变大数十倍到数百倍， 因此称为超磁致伸缩材 料，从此开始了稀土超磁致伸缩材料的研究。70 年代，铽镝铁磁致伸缩材料研制成功，实现了电能和 机械能的高效转换4。随后，人们尝试用不同的稀土元素和铁的化合物组合获得不同性能的超磁致伸缩 1 基于有限元法的超磁致伸缩换能器磁路结构设计及实验研究 材料。这
