超磁致伸缩功率超声换能器热分析_曾海泉

第31 卷第6 期中国电机工程学报第31卷第6期2011年2月25日116 2011年2月25 日2011中国CSEE论文集”.电子工程Soc文章编号：0258-8013 (2011) 06-0116-05中图分类号：TM 153文献标志码* A学科分类号：47040超磁致伸缩功率超声换能器热分析曾海泉1，曾庚鑫2，曾建斌3，闫明3 (1 .厦门理工学院机械系，福建省厦门市361024；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东省广州市510640；3.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁省沈阳市110178)超磁致伸缩大功率超声换能器曾海泉1、曾耿新2、曾建斌3、阎明3 (1)的热分析。厦门理工大学机械工程系，厦门361024，福建省；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640，广东省；3.沈阳工业大学电气工程学院，沈阳110178，中国辽宁)超磁致伸缩材料(GGM)的高能量密度和相对高的热导率的属性使得建造大规模高功率超声换能器成为可能。然而，换能器通常在高强度和高频率的磁场下工作。磁滞损耗和涡流损耗产生的热量是巨大的。另一方面GGM对温度很敏感。因此，热分析是传感器设计的重要组成部分。设计了一种高功率超声换能器及其冷却系统。采用包含涡流损耗和异常损耗的修正吉尔-阿泽顿磁滞模型来模拟高功率超声换能器中GGM的行为。用最小二乘法拟合确定模型参数。用该模型计算总滞后损失。用有限元法得到了传感器的冷却水流量和温度分布方案。计算结果与实验结果吻合良好；超磁致伸缩材料(GGM)；磁滞损耗；有限元；温度分析摘要：超磁致伸缩材料能量密度高，导热性相对较好，由其制造的功率超声换能器能做成很大功率，但因为此类换能器总处在高强度高频率磁场中工作，各种损耗很严重，带来的基金项目：国家自然科学基金项目(50875177)；辽宁省教育厅重点实验室项目(2008 S170)；福建省教育厅项目(A 09221)；厦门市科技计划项目(3502Z20103041)。国家自然科学基金(50875177)资助项目；辽宁省教育局重点实验室项目(2008 S170)；福建省教育局资助项目(A 09221)；厦门市科技计划项目(3502Z20103041).热量非常大，而超磁致伸缩材料对外界温度又很敏感，故热分析是该类换能器设计的重要方面。该文设计了换能器及其冷却系统，以考虑涡流损失和附加损失的季乐-阿泽顿模型为基础，提取了模型参数，计算得到了换能器的损耗总量；用有限元方法计算了冷却水流场分布和换能器温度场分布；对样机进行了试验，实验与计算结果吻合良好。关键词：功率超声换能器；超磁致伸缩材料；磁滞损耗；有限元；温度分析0 引言近年来，功率超声在超声清洗、超声焊接、超声加工等方面得到了广泛的应用。但是，其中不少超声加工工艺至今仍停留在实验室，极限于小规模，无法实现工业化运用。主要原因是传统的致动材料，由于导热性差等原因，不能提供给单个换能器足够大的功率。本文以应用最广泛的压电陶瓷为例，计算了直径为25.4毫米的压电陶瓷棒的发热情况。当连续高强度工作时，其外表面在冷却水的作用下可以保持在20左右，而其核心温度高达200，接近居里温度，其驱动性能基本丧失。迄今为止，压电陶瓷功率传感器的最大连续工作功率很少超过3 kW。新兴的稀土超磁致伸缩材料由于其高能量密度和较高的热导率，已经开始在功率超声领域显示出其优势。连续工作功率为6 kW甚至25 kW的功率超声换能器已经出现在1-2。然而，一方面，由于换能器总是工作在高强度高频磁场中，磁滞损耗、涡流损耗和线圈电阻损耗严重，导致很大的热量。另一方面，如DOI :10.13334/J 0258-8013。曾海泉等：超磁致伸缩功率超声换能器的热分析117驱动材料的超磁致伸缩棒对外界温度比较敏感。因此，如何计算换能器的内部发热，以及如何设计和布置换能器冷却系统，已经成为这种换能器设计中的主要问题之一。本文设计了传感器及其冷却系统。基于考虑涡流和附加损耗的季乐-阿泽顿模型，计算了考虑涡流损耗和附加损耗后伸缩棒的磁滞总损耗和线圈电阻损耗。采用有限元方法对冷却水流场进行了分析，并计算了冷却水的对流换热系数。以此为边界条，计算了超磁致伸缩功率传感器的温度场。实验结果与分析结果吻合良好。1换能器结构和工作原理本文研究的大功率超磁致伸缩换能器的结构如图1所示。其工作原理是：在线圈中引入交流电，产生交变驱动磁场，使超磁致伸缩棒频繁伸缩。当伸缩杆伸长和缩短时，输出杆产生超声波振动。为了防止倍频，将偏置电流引入线圈以产生偏置磁场，并且偏置电流的大小可以由电源调节。为了使超磁致伸缩材料在最佳状态下工作，必须对伸缩杆施加预压力，预压力的大小必须通过由传感器设置的调节螺母和盘簧来调节，并且可以在每次实验之前设置预压力，而在每次实验期间预压力保持不变。伸缩杆的外缘缠绕有测量磁感应强度的检测线圈。热电偶已经安装在温度测量和控制的几个关键位置。伸缩杆的外围和盘管的上端面设有冷却水套，及时带走产生的热量。为了减小线圈涡流效应的影响，对伸缩杆进行了切片。调节螺母冷却水饼盒圆盘弹簧伸缩杆线圈输出杆冷却水套图1超磁致伸缩功率超声换能器结构图1磁致伸缩高功率超声换能器示意图2换能器热计算2.1磁滞模型换能器热主要来自超磁致伸缩材料的超磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗、线电阻损耗和机械阻尼损耗3，磁滞损耗是最重要的部分。计算磁滞损耗的关键是建立磁滞模型。超磁致伸缩材料和器件的磁滞模型主要分为两类。第一类是4-7的预萨赫滞后模型。该模型采用纯数学公式描述迟滞现象，属于现象学范畴。它具有很强的预测能力和很好的通用性，但不能反映系统内部的物理机制。第二种类型是基于磁畴理论和磁畴壁运动机制的吉尔-阿泽顿磁滞模型8-15)。它具有明确的物理意义，能更好地反映系统的内部信息。鉴于高频交变磁场的特殊情况，吉利斯提出了一种考虑涡流损耗和附加损耗的改进型吉利斯-阿泽顿16。该模型除了考虑涡流的影响外，还考虑了预应力的影响，特别适用于本课。该模型表示为公式(1):221/21/23/2000 dddd()()()()()2 dddd()ddan e dgdwhhmhmthmm kmmk chh(d/d)0 Anan MK cmh=(1)，其中第1项中考虑了涡流损耗；第2项考虑额外损失；m是材料的磁化强度；h是外部磁场的强度；0是真实的空气渗透率；d为材料尺寸(圆柱体直径，切片厚度，本工程切片，0.002米)；是材料的电阻率，制造商提供=6.0107m；是几何因子(圆柱体16，切片6，本研究6)；g是无量纲常数，值为0.135616；w是切片的宽度，是本项目直径的0.006米的一半。H0是一个与畴壁有关的参数，相当于磁场，A/m，通过实验获得；=SGN(dH/dt)；k是不可逆系数，A/m，通过实验获得；是通过实验获得的无因次域相互作用系数。c是可逆系数，无量纲，由实验获得；人是无磁滞磁化，由朗之万函数和韦斯分子场理论描述，如公式(2)和(3)所示：COTH(/安塞姆哈克=(2)他=H M H (3)，其中0 () (3/2) (/) HTM =(4)其中：Ms是材料的饱和磁化，由制造商给出，本项目取7.65105 A/M；他是有效磁场强度；A是通过实验获得的有效畴密度系数，A/m；和分别是磁致伸缩材料产生的应变和它所受到的应力。根据二次磁致伸缩模型，磁致伸缩材料的应变与磁化强度m之间的关系为22 3/2 ss mm =(5)，其中 s为饱和磁致伸缩量，=996 由制造商给出。将方程(5)代入方程(4)得到209(2s)HTM=(6)118中国机电工程学报第31卷第2.2卷磁滞回线的测量和损耗计算，磁场强度h可由励磁线圈的输入电流计算，线圈励磁电流可按比例直接从电源中提取(本项使用的是BP4610电源的功能)并送至示波器显示和记录。伸缩杆上缠绕有感应线圈。根据法拉第电磁感应定理，可以得到1()()分贝的磁感应强度。其中n是感应线圈的匝数；a是线圈的横截面积；V(t)是感应线圈的感应电压。实验中同步记录V(t)，然后用软件积分得到b，从m=b/0h可以得到m，从而得到测得的M-H磁滞回线。吉尔-阿泽顿磁滞模型中的所有参数都是用最小二乘法确定的。这种方法的实质是在确定参数的过程中使实验数据和模型计算结果之间的方差最小化，即使J(qi)是最小值：21 () |(，)| SFEI J QMT QZ=在公式中：qf是参数向量，QF=(A，K，C，H0)；Ti是I的时间步长，I是时间步长序列；Zi是I时间步长磁化的实验数值；M(ti，qf)是I-时间步长磁化的模型计算值。模型的参数是从M-H曲线数据中提取的，电流频率为20千赫，预张力为6.1兆帕(正常工作条件)。a=10 kA/m，k=