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稀土超磁致伸縮材料（Terfenol-D）是一種在磁場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生大應(yīng)變的新型功能材料。以此材料為核心元件的超磁致伸縮換能器（Giant Magneto- strictive Transducer, GMT）具有輸出功率大、響應(yīng)速度快、機(jī)磁耦合系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水下電聲換能器、精密加工、超聲無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。

大功率超磁致伸縮換能器在工作過(guò)程中輸入的電能除了轉(zhuǎn)化為機(jī)械能外，還會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，導(dǎo)致?lián)Q能器各部件特別是超磁致伸縮棒溫度快速升高。由于超磁致伸縮材料不僅具有較大的熱膨脹系數(shù)，而且材料參數(shù)對(duì)外界溫度非常敏感，導(dǎo)致?lián)Q能器的輸出特性與溫度密切相關(guān)。

為確保超磁致伸縮換能器在適合的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，需要對(duì)換能器各部件的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確分析和監(jiān)測(cè)。嵌入式溫度傳感器是常用的溫度監(jiān)測(cè)手段，然而在工程應(yīng)用中存在很多問(wèn)題。例如，換能器組裝灌封后，傳感器難以取出；深水工作的電聲換能器，無(wú)法遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。因此對(duì)換能器溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確建模與估計(jì)是解決換能器熱問(wèn)題的關(guān)鍵。

對(duì)超磁致伸縮換能器溫度場(chǎng)的建模方法主要有熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值分析法。有限元法是最常用的數(shù)值分析方法，有限元法的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱建模，但是模型越復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置的要求也越高，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。等效熱網(wǎng)絡(luò)法則憑借數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于熱動(dòng)態(tài)分析。

目前熱網(wǎng)絡(luò)模型在解決電機(jī)的熱限制問(wèn)題中發(fā)揮著巨大的作用，目前用于電機(jī)設(shè)計(jì)的熱網(wǎng)絡(luò)模型已接近成熟，但是針對(duì)換能器的熱網(wǎng)絡(luò)模型普遍只考慮穩(wěn)態(tài)，而忽略了超磁致伸縮棒作為熱源的特殊性，以及溫升過(guò)程中由于棒材導(dǎo)熱能力差而存在的明顯的溫度梯度問(wèn)題。

湖南大學(xué)國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心的研究人員張智賀、楊鑫、陳鈺凱，在2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，“超磁致伸縮換能器的工作特性與溫度密切相關(guān)，快速準(zhǔn)確地對(duì)換能器溫度分布進(jìn)行分析計(jì)算與預(yù)測(cè)是換能器設(shè)計(jì)與性能評(píng)估的關(guān)鍵。憑借仿真速度快、準(zhǔn)確性高等顯著優(yōu)勢(shì)，熱網(wǎng)絡(luò)建模廣泛用于換能器熱分析，但多聚焦于穩(wěn)態(tài)建模研究，忽略超磁致伸縮棒由于熱導(dǎo)率低所導(dǎo)致的明顯的瞬態(tài)溫度梯度。”

圖1 換能器完整熱網(wǎng)絡(luò)模型

針對(duì)以上問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)以縱振式超磁致伸縮換能器為研究對(duì)象，計(jì)及超磁致伸縮棒作為熱源的特殊性和棒材溫度空間分布的影響，創(chuàng)建了超磁致伸縮換能器等效熱網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)模型，并用有限元模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖2 換能器溫升試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)

他們首先基于縱振式超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)換能器進(jìn)行了熱分析；然后根據(jù)換能器內(nèi)部傳熱過(guò)程，建立了完整的換能器瞬態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；最后搭建有限元仿真模型和換能器溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了所提熱網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)換能器溫度時(shí)空分析的準(zhǔn)確性和有效性。

研究人員同時(shí)也提出了熱網(wǎng)絡(luò)模型中存在的問(wèn)題，如沒(méi)有考慮損耗分布、沒(méi)有利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)換能器損耗進(jìn)行準(zhǔn)確建模等，進(jìn)一步還需要對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“稀土超磁致伸縮換能器等效熱網(wǎng)絡(luò)建模研究”。