磁致伸缩高频换能器多目标优化设计及等效电路模型

作     者：郭万里 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄文美

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：磁致伸缩高频换能器 多目标优化设计 非线性等效电路模型 输出特性测试 

摘      要：磁致伸缩材料作为新型智能材料以其优异的输出性能受到越来越多的关注,在精密仪器、超声加工、海底探测和医疗器件等领域有着广泛的应用前景。磁致伸缩换能器在高频激励下存在涡流损耗大、漏磁多和电磁转化效率低等问题,需要从换能器本体优化设计方面寻求解决。本文以磁致伸缩高频换能器为研究对象,以换能器在高频大功率下的应用为背景,对换能器的磁路提出了一个整体优化设计方法,建立了非线性等效电路输出模型,设计并制作了一台双棒驱动的高频磁致伸缩换能器样机。研究结果对换能器的优化设计、模拟计算有着重要的指导意义。首先,对换能器的整体结构进行了分析。从磁致伸缩棒的切割方式、磁路结构、偏置磁场三个方面进行了探究,发现平行切割方式对涡流效应的抑制效果更好、双棒驱动加U型磁轭结构的闭合磁路漏磁更少、直流线圈提供的偏置磁场更均匀。并对输出杆和预应力装置等机械结构进行了设计,初步确定了换能器的整体结构。其次,基于遗传算法对磁致伸缩高频换能器的磁路设计提出了一个整体优化设计方法,该方法以磁致伸缩棒的几何尺寸、线圈结构、磁轭回路及其结构尺寸为优化变量,以增大磁致伸缩棒内磁场强度、提高棒内的磁场分布均匀度和减少换能器高频损耗为优化目标,并引入规范化排序和熵权法对该优化方法得到的Pareto前沿解进行决策支持,筛选出一个最优设计方案,通过仿真计算验证了此方法的有效性。然后,从热力学角度出发,对磁致伸缩材料Galfenol提出了一个非线性全耦合模型,该模型考虑了非线性、磁力耦合和饱和效应。根据此模型建立了一个三端口等效电路,更为全面的分析了换能器的输出特性。对等效电路中的磁性端口和机械端口进行了设计,磁性端口中重点分析了磁致伸缩棒切片结构的阻抗变化,机械端口中对换能器的整体结构进行了动力学分析,采用机电类比的方式对换能器的振动模型进行了等效。并利用等效电路模型仿真计算了换能器输出位移随时间和应力的变化。最后,根据本文的设计方案制作了样机,通过阻抗分析仪测量了磁致伸缩换能器的谐振频率,根据阻抗特性识别了样机的机械参数。搭建了实验测试平台,分析了样机在不同激励条件下的输出特性,并对等效电路的仿真模拟结果和实验结果进行了比较,两者误差较小。验证了本文换能器优化方法的可行性和等效电路模型的准确性。