【摘 要】
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近年来换能器技术发展迅速,在农业、工业、医疗以及国防军事等领域发挥了关键作用。磁致伸缩换能器因功率容量大、响应速度快、工作性能稳定等优点,在超声加工、声呐、精密控制等领域具有广泛应用前景。磁致伸缩换能器的材料特性、结构模型等均对器件输出特性具有较大影响。本文利用Fe-Ga合金设计新型磁致伸缩换能器,测量Fe-Ga合金在磁场下的材料特性,研究变幅杆结构与其参数特性的关系,构建换能器的多场耦合模型,分
【基金项目】
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国家自然科学基金（51777053、52077052）
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近年来换能器技术发展迅速,在农业、工业、医疗以及国防军事等领域发挥了关键作用。磁致伸缩换能器因功率容量大、响应速度快、工作性能稳定等优点,在超声加工、声呐、精密控制等领域具有广泛应用前景。磁致伸缩换能器的材料特性、结构模型等均对器件输出特性具有较大影响。本文利用Fe-Ga合金设计新型磁致伸缩换能器,测量Fe-Ga合金在磁场下的材料特性,研究变幅杆结构与其参数特性的关系,构建换能器的多场耦合模型,分析换能器的频域和时域特性,搭建换能器实验平台,分析换能器的阻抗频率特性和输出特性。测试Fe-Ga合金横向与纵向两个方向在静态磁场下的应变情况,发现在相同条件下横向上的应变总是大于纵向上的应变,确定Fe-Ga合金横向为材料的易磁化方向。通过材料非线性本构模型验证了实验结果的准确性,两者误差值随磁场增大而减小。利用Fe-Ga合金动态测试系统测试了3个Fe-Ga合金样品的磁滞曲线,分析样品的高频特性,发现沿易磁化方向切割的Fe-Ga合金样品经过切片处理后,总损耗和矫顽力等参数值较低,更适用于换能器的制作。设计三种形状的换能器变幅杆,以变幅杆纵振波动方程为基础,理论分析变幅杆的谐振频率、位移节点、放大倍数等重要参数。利用有限元法对变幅杆进行模态分析,得到变幅杆的模态振型图、应力分布图以及位移曲线图,通过对比三种变幅杆的位移、放大倍数以及谐振频率和应力分布情况,发现复合型变幅杆与换能器的工作频率匹配较好,并且在2N作用力下,其位移可达到0.513μm,放大倍数为2.13倍。建立换能器的多场耦合模型,得到换能器的电磁耦合以及磁力耦合关系式。构建换能器有限元三维模型,分析换能器的频域与时域特性,得到换能器的谐振频率为6237Hz,位移放大倍数为2.58倍。在谐振状态下激励电流为0.45A时,结果显示换能器所受应力最大值为3.37×10~5（N/m~2）,主要集中在Fe-Ga合金部分,变幅杆顶端位移幅值可达34.823μm。搭建换能器输出特性实验平台,测得换能器的阻抗频率曲线,作出对应的阻抗圆图,在此基础上结合换能器电学模型求得换能器的电学等效参数。实验研究换能器在激励电流为0.45A时的加速度和位移输出特性,结果显示在6200Hz时换能器加速度与位移幅值达到最大,分别为1266m/s~2和32.90μm。
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