- 頭條不同磁致伸縮材料的高頻磁能損耗分析與實驗研究2021-06-01 作者：翁玲 常振 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）的研究人員翁玲、常振、孫英、王博文、黃文美，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，引入小磁滯回線下磁能損耗數學模型，使用AMH-1M-S型動態磁特性測試系統測量了Fe-Co-V、Terfenol-D與Fe-Ga合金樣品的高頻磁滯回線，利用實驗測試結果結合數學模型對比分析了三種材料的磁導率幅值、介質損耗因數、介質儲能和電磁損耗變化規律。 當勵磁磁場頻率為50kHz時，隨著磁感應強度的增加，Terfenol-D和Fe-Ga合金的介質損耗因數近似線性增加，三種合金樣品的電磁損耗均增大。當磁感應強度為0.03T時，隨著勵磁磁場頻率的增加，Fe-Co-V、Fe-Ga合金磁導率幅值都先增大后減小，Terfenol-D合金的介質儲能增加最快并且其電磁損耗隨頻率增速最快。在1～40kHz內Fe-Ga合金的電磁損耗高于Fe-Co-V合金，在40～60kHz內Fe-Ga合金電磁損耗低于Fe-Co-V合金。該文結果為磁致伸縮材料的電磁損耗分析與高頻器件設計提供了依據。
先進的軟磁材料表現出高頻率、高磁通密度以及微型化、多功能兩種并存的發展格局，一些先進的電工軟磁材料得到快速發展，特別是以Fe-Co-V、Terfenol-D與Fe-Ga合金為代表的磁致伸縮材料被廣泛應用，對電力器件的影響深遠。
Fe-Co-V合金具有極高的飽和磁感應強度（2.4T）和居里溫度（980～1100℃）、飽和磁致伸縮系數（60～100× 10-6）大，適用于質量輕、體積小的航空元器件（如繼電器、電磁鐵、微特電機等），但該合金的電阻率（0.27◆Ω?m）低，在高頻下使用時受磁能損耗影響較大。Terfenol-D合金是一種磁致伸縮系數（2000× 10-6）大、能量密度高和響應速度快的磁致伸縮材料，在大功率超聲（f ≥20kHz）、聲吶等應用領域有顯著優勢，然而該合金材料在高頻驅動過程中產生磁滯，影響器件的能量轉換效率。
Fe-Ga合金具有磁導率高、應力靈敏度高、飽和磁場較低等優點，廣泛應用于新型傳感器件、振動發電領域，而影響Fe-Ga合金器件性能的關鍵指標是Fe-Ga合金的磁導率和電磁損耗[9-10]。因此，三種不同磁致伸縮材料在高頻領域進行器件設計時，高頻磁能損耗分析是研究與其相關的合金器件結構設計和應用的基礎。
- 有學者研究了環狀Galfenol合金的高頻磁特性，重點分析了材料的磁導率、矯頑力、剩余磁感應強度和損耗隨頻率的變化關系。
- 有學者研究發現，Tbdyfe合金的電磁損耗隨頻率的變化曲線是拋物線型，并且渦流損耗占損耗的主要部分，利用Tbdyfe合金粉末制備了一種新型復合材料，電磁損耗受頻率影響不大，主要損耗為磁滯損耗。
- 有學者在0.2～8GHz的頻率范圍內測量了軟磁材料FeCoB薄膜中磁導率隨外磁場強度的變化規律。
- 有學者建立了在交流勵磁作用下超磁致伸縮材料的磁場函數，發現驅動頻率將影響磁場的大小和滯后性，并且得到了適用于中低頻磁能損耗計算的數學模型，分析了驅動磁場頻率對復數磁導率、磁場的滯回特性以及磁能損耗的影響，但文中并沒有分析材料高頻情況下的電磁特性。
- 有學者將傳統的J-A磁滯模型與瞬態渦流和剩余損耗模型相結合，建立了J-A動態磁滯模型，該模型需要的參數較多，實際工程中應用較少。
- 有學者提出一種改進鐵耗計算模型，能夠反映出高頻高磁密時疊片材料內的渦流趨膚效應、動態磁滯回線和疇壁運動的變化規律，并且實驗測量結果與計算結果有較好的對應性。
- 有學者改進了Steinmetz損耗方程，提出在對稱和非對稱磁感應波形下對不同軟磁材料的損耗預測方法，經過實驗測量與計算結果對照，證明了該方法的工程實用性。
- 有學者設計了一種雙線圈鐵鎵合金磁滯伸縮換能器，利用磁能與機械能的轉換關系分析了該換能器在不同磁場頻率下的能量儲能、電磁損耗以及機械能變化規律。
由于磁致伸縮材料的多樣性以及高頻下磁滯特性的復雜性，不同磁致伸縮材料的損耗特性隨頻率變化情況對比分析較少。河北工業大學的研究人員針對在相同工程背景下磁致伸縮器件在設計過程中所遇到的材料選取問題，從不同磁致伸縮材料的磁導率、介質損耗因數、介質儲能和電磁損耗等方面對比分析Fe-Co-V、Terfenol-D與Fe-Ga合金的磁能表現，引入小磁滯回線磁能損耗模型，利用AMH-1M-S型動態磁特性測試系統測量了典型磁致伸縮材料Fe-Co-V、Terfenol-D、Fe-Ga合金在不同勵磁磁場頻率和不同磁感應強度下的動態磁滯回線，對比分析三種材料在不同條件下磁能損耗影響因素，為磁致伸縮新型器件的優化設計和應用提供了理論與實驗參考。
圖1 實驗測試平臺
研究人員最后得出如下結論：
1）當交變勵磁磁場頻率為50kHz，施加在樣品上的磁感應強度為0.01～0.03T時，Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的磁導率分別增加了6.44%、21.57%和31.72%；Fe-Co-V合金的損耗因數變化波動較小，而Terfenol-D合金和Fe-Ga合金的損耗因數都近似線性增加，分別增加了44%和59.52%；Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的電磁損耗分別增加了7.96倍、9.26倍和8.48倍，在同一磁感應強度下，Terfenol-D合金的電磁損耗最大，Fe-Ga合金的電磁損耗最小。
2）在最大磁感應強度為0.03T，勵磁磁場頻率為1～60kHz時，Fe-Ga合金的磁導率最大，Terfenol- D合金的最小；Fe-Co-V合金和Fe-Ga合金的介質損耗因數都逐漸增大，Terfenol-D合金的介質損耗因數先增大后趨于穩定；Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的介質儲能分別增加78.73倍、112.40倍和67.25倍；勵磁磁場頻率為1～20kHz時，Fe- Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的電磁損耗分別增加了152.03倍、33.59倍和29.39倍，Terfenol-D合金的電磁損耗最大，Fe-Co-V合金的電磁損耗最小；當勵磁磁場頻率為20～60kHz時，Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的電磁損耗分別增加了7.42倍、3.26倍和4.11倍。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“不同磁致伸縮材料的高頻磁能損耗分析與實驗研究”，作者為翁玲、常振、孫英、王博文、黃文美。
