摘要：超磁致伸缩换能器工作性能受到电-磁-机多场耦合的影响,常利用多场模型分析其非线性输出特性,而能否准确获取其多场耦合参数决定了模型的准确性,是换能器设计和优化的关键。鉴于换能器多场模型具有参数多、耦合强、参数辨识难等特点。该文提出基于改进人工鱼群和布谷鸟混合的超磁致伸缩换能器多场模型参数辨识方法。首先,考虑切割棒材涡流效应的影响,建立超磁致伸缩换能器电-磁-机多场耦合的综合电路模型,来实现超磁致伸缩换能器输出行为的模拟;其次,针对模型参数维度多、耦合强的问题,提出了改进的人工鱼群和布谷鸟混合算法(AFSA-eCS),该方法引入精英个体反向学习策略、动态步长和动态发现概率以强化局部精细化搜索能力;最后,基于实验平台验证了综合电路模型和AFSA-eCS的有效性。结果表明:AFSA-eCS相较于单一算法与遗传退火混合算法(GA-SA)收敛快、参数辨识精度高,基于所提算法和模型能够快速有效分析换能器不同工况下的输出特性。

摘要：为研究时滞反馈对超磁致伸缩换能器输出的影响规律,扩大超磁致伸缩伸缩换能器的使用范围。通过分析换能器工作原理,建立时滞反馈控制下的系统动力学模型,采用多尺度法求解得到系统在位移、速度和加速度时滞反馈控制下的输出响应。仿真分析得知:无时滞反馈控制系统的输出呈硬式非线性特性;与无时滞反馈系统相比,位移和速度时滞反馈控制的换能器通过调整控制增益或时滞可有效降低系统的振动幅值、提高系统的稳定性;加速度时滞反馈控制下的换能器能够在不改变系统振幅的条件下改变系统的谐振频率,将加速度时滞反馈控制的换能器应用于能量回收系统中,仿真发现:调整控制增益不仅能够改变能量回收系统的有效频带范围,也可以调整系统的感应电压幅值。

摘要：为优化超磁致伸缩换能器的电磁性能,研究了线圈的几何尺寸和磁路元件的选择对换能器磁场特性和输出位移的影响,并进行了磁路损耗和气隙磁导分析.给出了合理的线圈结构参数,提出了在超磁致伸缩材料(GMM)棒两端安装高磁导率的软磁体和减少GMM棒涡流损耗的设计方案,并忽略了气隙的影响.采用有限元方法仿真了不同磁路设计方案对换能器性能的影响,并进行了试验分析.结果表明,在GMM棒两端安装电工软铁能够提高工作磁场强度,减少磁通泄漏,增加换能器输出位移并降低驱动电流,改善换能器的发热情况,从而整体改善超磁致伸缩换能器的性能.

摘要：为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。

摘要：针对影响低频大功率超磁致伸缩(GMM)换能器性能的励磁线圈进行设计分析,对作为换能器主要热源的激励线圈设计了几种散热方案。各种方案的实验对比表明,采用适当的线圈设计参数和散热方案,能有效提高激励线圈的电磁转换效率,增加换能器的最大工作电流,从而充分利用大功率换能器中GMM的潜在性能空间。

摘要：该研究研制了一种窗型结构(双棒结构)超磁致伸缩换能器。等效电路法设计了换能器,以输出端振幅最大、稀土棒内磁场均匀和棒内小峰值应力为目标,有限元方法优化了其结构尺寸,并仿真计算了阻抗圆、输出端振幅随激励电流变化的规律,以及工作频率点处温升与时间的关系。测试了换能器样品,结果表明:测试频率为19.64 kHz,设计值为19.45 kHz;1 A激励电流的位移振幅测试值为6.1μm,计算值为6.3μm;电声效率测试值为52.58%,计算值为41.51%;试验测试1 A电流工作15 min后温度升为45.5℃,仿真计算的温度升为47.8℃。试验测试与理论计算基本吻合。

摘要：在热力学理论、Jiles-Atherton模型、能量守恒定律和换能器结构动力学原理的基础上,考虑动态损耗带来的影响,建立了包含磁-机-热的耦合项的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型。运用数值计算方法对所建立的模型进行了计算,计算结果与实验结果吻合较好,说明所建立的多场耦合动态模型能够描述驱动磁场和换能器的输出应变之间的关系,能很好地描述换能器的实际工作状态,为超磁致伸缩换能器设计研发提供理论指导。

摘要：研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响。结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著。结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义。

摘要：为拓宽超磁致伸缩换能器能量回收装置的频带宽度,通过分析换能器工作原理,基于牛顿第二定律建立系统动力学方程,应用多尺度法求解得到幅频响应方程,仿真发现三次刚度系数的影响使换能器的输出具有一定的非线性特性。在非线性特性基础上建立能量回收理论模型,研究设计参数对能量回收频带宽度和感应电压幅值的影响得知:与线性系统相比,软式非线性系统可以使有效带宽增加40%,但感应电压峰值有所降低;硬式非线性系统可使有效带宽增加42%,同时感应电压峰值也可增加28%;预应力对能量回收效果的影响较小;系统的能量回收效果随着阻尼系数的增大而减小;线性刚度不仅能够改变系统的频带宽度和感应电压峰值,也可以调整能量回收的频带范围。

摘要：超磁致伸缩换能器的工作特性与温度密切相关,快速准确地对换能器温度分布进行分析计算与预测是换能器设计与性能评估的关键。凭借仿真速度快、准确性高等显著优势,热网络建模广泛用于换能器热分析,但多聚焦于稳态建模研究,忽略超磁致伸缩棒由于热导率低所导致的明显的瞬态温度梯度。为此,该文以纵振式超磁致伸缩换能器为研究对象,计及超磁致伸缩棒作为热源的特殊性和对棒材温度空间分布的影响,建立超磁致伸缩换能器瞬态等效热网络模型。首先基于换能器的结构和工作原理,对其进行热分析;然后重点对超磁致伸缩棒进行建模,根据换能器内部传热过程,建立换能器瞬态热网络模型并对模型参数进行计算;最后搭建有限元仿真模型和换能器温升实验平台,从仿真和实验两方面验证了所提热网络模型对换能器温度时空分析的准确性和有效性。