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先進的軟磁材料表現(xiàn)出高頻率、高磁通密度以及微型化、多功能兩種并存的發(fā)展格局，一些先進的電工軟磁材料得到快速發(fā)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(yīng)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(yīng)強度（2.4T）和居里溫度（980～1100℃）、飽和磁致伸縮系數(shù)（60～100× 10-6）大，適用于質(zhì)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(shù)（2000× 10-6）大、能量密度高和響應(yīng)速度快的磁致伸縮材料，在大功率超聲（f ≥20kHz）、聲吶等應(yīng)用領(lǐng)域有顯著優(yōu)勢，然而該合金材料在高頻驅(qū)動過程中產(chǎn)生磁滯，影響器件的能量轉(zhuǎn)換效率。

Fe-Ga合金具有磁導(dǎo)率高、應(yīng)力靈敏度高、飽和磁場較低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于新型傳感器件、振動發(fā)電領(lǐng)域，而影響Fe-Ga合金器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)是Fe-Ga合金的磁導(dǎo)率和電磁損耗[9-10]。因此，三種不同磁致伸縮材料在高頻領(lǐng)域進行器件設(shè)計時，高頻磁能損耗分析是研究與其相關(guān)的合金器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

• 有學(xué)者研究了環(huán)狀Galfenol合金的高頻磁特性，重點分析了材料的磁導(dǎo)率、矯頑力、剩余磁感應(yīng)強度和損耗隨頻率的變化關(guān)系。
• 有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(xué)者在0.2～8GHz的頻率范圍內(nèi)測量了軟磁材料FeCoB薄膜中磁導(dǎo)率隨外磁場強度的變化規(guī)律。
• 有學(xué)者建立了在交流勵磁作用下超磁致伸縮材料的磁場函數(shù)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)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(shù)學(xué)模型，分析了驅(qū)動磁場頻率對復(fù)數(shù)磁導(dǎo)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(xué)者將傳統(tǒng)的J-A磁滯模型與瞬態(tài)渦流和剩余損耗模型相結(jié)合，建立了J-A動態(tài)磁滯模型，該模型需要的參數(shù)較多，實際工程中應(yīng)用較少。
• 有學(xué)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(nèi)的渦流趨膚效應(yīng)、動態(tài)磁滯回線和疇壁運動的變化規(guī)律，并且實驗測量結(jié)果與計算結(jié)果有較好的對應(yīng)性。
• 有學(xué)者改進了Steinmetz損耗方程，提出在對稱和非對稱磁感應(yīng)波形下對不同軟磁材料的損耗預(yù)測方法，經(jīng)過實驗測量與計算結(jié)果對照，證明了該方法的工程實用性。
• 有學(xué)者設(shè)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(zhuǎn)換關(guān)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(guī)律。

由于磁致伸縮材料的多樣性以及高頻下磁滯特性的復(fù)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(yè)大學(xué)的研究人員針對在相同工程背景下磁致伸縮器件在設(shè)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(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)、介質(zhì)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(xiàn)，引入小磁滯回線磁能損耗模型，利用AMH-1M-S型動態(tài)磁特性測試系統(tǒng)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(yīng)強度下的動態(tài)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(yōu)化設(shè)計和應(yīng)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(jié)論：

1）當(dāng)交變勵磁磁場頻率為50kHz，施加在樣品上的磁感應(yīng)強度為0.01～0.03T時，F(xiàn)e-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的磁導(dǎo)率分別增加了6.44%、21.57%和31.72%；Fe-Co-V合金的損耗因數(shù)變化波動較小，而Terfenol-D合金和Fe-Ga合金的損耗因數(shù)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(yīng)強度下，Terfenol-D合金的電磁損耗最大，F(xiàn)e-Ga合金的電磁損耗最小。

2）在最大磁感應(yīng)強度為0.03T，勵磁磁場頻率為1～60kHz時，F(xiàn)e-Ga合金的磁導(dǎo)率最大，Terfenol- D合金的最?。籉e-Co-V合金和Fe-Ga合金的介質(zhì)損耗因數(shù)都逐漸增大，Terfenol-D合金的介質(zhì)損耗因數(shù)先增大后趨于穩(wěn)定；Fe-Co-V、Terfenol-D和Fe-Ga合金的介質(zhì)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，F(xiàn)e- 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，F(xiàn)e-Co-V合金的電磁損耗最??；當(dāng)勵磁磁場頻率為20～60kHz時，F(xiàn)e-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(fā)表在2020年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)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。