Fe-Ga 合金磁特性測試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

翁 玲 羅 檸 張露予 王躍虎 王博文

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130）

1 引言

材料、能源與信息技術(shù)被稱為現(xiàn)代人類文明的三大支柱。材料對國民經(jīng)濟(jì)和高技術(shù)的發(fā)展具有推動(dòng)作用，材料特性測試技術(shù)的發(fā)展同時(shí)又對相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有極大的推動(dòng)作用。隨著磁致伸縮材料的發(fā)展，磁致伸縮材料的磁特性和基于磁特性基礎(chǔ)上的磁性材料應(yīng)用是目前研究的熱門[1-3]。

傳統(tǒng)磁致伸縮材料和超磁致伸縮材料都具有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)又具有明顯的缺點(diǎn)，限制了它們的應(yīng)用。2000 年，Clark 等發(fā)現(xiàn)，加入Ga 能使Fe 的磁致伸縮性能提高10 倍以上，F(xiàn)e-Ga 合金（被命名為Galfenol）填補(bǔ)了傳統(tǒng)磁致伸縮材料與超磁致伸縮材料之間的空白，是一種既有良好的機(jī)械性能又有較大的磁致伸縮率，并具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)的新型磁致伸縮材料[4]。與傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，Galfenol 合金無需添加稀土元素Tb 和Dy，成本大大降低，且具有優(yōu)良的機(jī)械性能[5-7]，脆性小、可熱軋，可以利用傳統(tǒng)的金屬加工方法對其進(jìn)行機(jī)械加工。

目前，國內(nèi)正處于對磁特性測試儀器的自主研究和設(shè)計(jì)階段，中國科學(xué)院物理研究所和河北工業(yè)大學(xué)共同研制的多參數(shù)磁測量系統(tǒng)能夠完成對高飽和磁場的磁致伸縮材料靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變系數(shù)、增量磁導(dǎo)率、頻率阻抗特性的測量[8]。但是對于具有低飽和磁場的材料，如Fe-Ga、Fe-Ni、Fe-Co 等，利用多參數(shù)磁測量系統(tǒng)測試，在低磁場范圍內(nèi)其采樣數(shù)據(jù)較為稀疏，測試結(jié)果不能準(zhǔn)確反映材料的磁特性。目前，國內(nèi)對于具有低飽和磁場的磁致伸縮材料的磁特性測試裝置的研究較少。

對比傳統(tǒng)的磁特性檢測方法和實(shí)驗(yàn)裝置[9]，本文設(shè)計(jì)了一種新型磁特性測試裝置，對Fe-Ga 樣品進(jìn)行了磁致伸縮效應(yīng)、逆磁致伸縮效應(yīng)和動(dòng)態(tài)特性測試，測量結(jié)果與國外報(bào)道的結(jié)果相符，對弱磁場測量的實(shí)驗(yàn)研究具有積極的指導(dǎo)意義。

2 磁場的三維有限元分析

2.1 磁路部分初始結(jié)構(gòu)

圖1 所示為磁特性測試裝置磁路部分初始結(jié)構(gòu)。分成以下幾部分：磁路回路、極頭1、極頭2、兩個(gè)并聯(lián)的激勵(lì)線圈、被測磁致伸縮棒。極頭1、極頭2 為固定裝置，通過外接的應(yīng)力施加裝置（圖中未標(biāo)出）固定被測的磁致伸縮棒。給激勵(lì)線圈通電流可在磁路回路中產(chǎn)生磁場。整個(gè)裝置的磁路分布在磁路回路、極頭1、極頭2、兩個(gè)激勵(lì)線圈和一根被測的磁致伸縮棒中。

圖1 磁路部分初始結(jié)構(gòu)1—極頭1 2—磁路回路 3—激勵(lì)線圈4—被測磁致伸縮棒 5—極頭2Fig.1 Initial structure of the magnetic circuit

在磁場分析中，磁路回路模塊用硅鋼片疊加而成，相對磁導(dǎo)率取1 500；兩個(gè)極頭選用導(dǎo)磁性鋼材料，相對磁導(dǎo)率取200；磁致伸縮棒選用Fe-Ga 材料，長度為4cm，實(shí)測相對磁導(dǎo)率為56.12。兩個(gè)激勵(lì)線圈均設(shè)計(jì)為1 045 匝，最大同向電流5.0A。

2.2 初始結(jié)構(gòu)磁場分布

圖2 所示為初始結(jié)構(gòu)磁路部分三維有限元網(wǎng)格模型。該模型為ANSYS 模型，模型單元總數(shù)為113 684，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為21 270。

圖2 初始結(jié)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of the initial prototype

通過施加邊界條件和有限元數(shù)值分析計(jì)算，圖3a、3b、3c 分別給出了Fe-Ga 棒表面磁場強(qiáng)度、棒截面磁場強(qiáng)度和棒軸向上的磁場強(qiáng)度。圖中用不同顏色代表不同的磁場強(qiáng)度大小。

圖3 初始結(jié)構(gòu)棒上磁場強(qiáng)度分布Fig.3 Field distribution on the rod of the initial prototype

可以看出，當(dāng)左右虛擬線圈各為1 045 匝，施加同向電流3.0A 時(shí)，在磁致伸縮棒的中心位置D為2cm 處，棒內(nèi)的磁場強(qiáng)度大約為72kA/m；中心位置兩側(cè)2cm±0.8cm 范圍內(nèi)，棒內(nèi)的磁場強(qiáng)度基本不變；然而在棒的邊緣兩側(cè)，如在棒0.4cm 和3.6cm處，磁場強(qiáng)度約為32kA/m。磁致伸縮棒兩端產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于棒中間段的磁場強(qiáng)度，從而使得整個(gè)棒上的磁場強(qiáng)度并不均勻。因此該初始結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)磁場分布

為了使Fe-Ga 棒內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布更加均勻，進(jìn)行了優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，修改了局部結(jié)構(gòu)并調(diào)整了相關(guān)尺寸。經(jīng)過初始結(jié)構(gòu)的磁場分析可見，棒內(nèi)部磁場分布不均勻，在棒兩端磁場衰減較大，棒兩端磁場衰減大與兩個(gè)極頭與棒之間的連接方式和兩個(gè)極頭的尺寸有關(guān)。因此改變兩個(gè)極頭與磁致伸縮棒的接觸方式，將極頭探入由磁路回路模塊組成的窗型結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并使極頭尺寸變長，極頭與Fe-Ga合金磁致伸縮棒的銜接方式改為光面接觸。

編寫APDL 命令流[10]，設(shè)置循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)時(shí)，對于可調(diào)整的尺寸參數(shù)，每次改變其中一個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)不變。以此順序找到每個(gè)可調(diào)整尺寸的最佳參數(shù)。程序循環(huán)運(yùn)行，進(jìn)行建模和運(yùn)算。比較每次結(jié)果的磁場分布，選出磁場分布最均勻的方案。圖4 所示為測試裝置經(jīng)過優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格模型。模型單元總數(shù)為160 467，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為31 144。

圖5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)棒上磁場強(qiáng)度分布Fig.5 Field distribution on the rod of the optimized prototype

通過施加邊界條件和有限元數(shù)值分析計(jì)算，圖5a、5b、5c 分別給出了棒表面磁場強(qiáng)度、棒截面磁場強(qiáng)度和棒軸向上的磁場強(qiáng)度。從圖5c 可見，經(jīng)過優(yōu)化后，給激勵(lì)線圈施加同向電流3.0A 時(shí)，在棒中心位置D 為2cm 處，磁場強(qiáng)度大約為51kA/m，在棒兩端2cm±1.6cm 范圍內(nèi)，棒內(nèi)的磁場強(qiáng)度基本不變；在棒的邊緣兩側(cè)，如在棒0.4cm 和3.6cm 處，磁場強(qiáng)度約為56kA/m。棒內(nèi)部的磁場強(qiáng)度分布基本均勻。當(dāng)施加電流為3.0A 時(shí)，優(yōu)化后裝置的磁場強(qiáng)度大小為51kA/m，報(bào)道Fe-Ga 合金在預(yù)應(yīng)力為零時(shí)飽和磁場約為5.0kA/m，增加預(yù)應(yīng)力至60MPa，飽和磁場至18kA/m[7]，可見，適當(dāng)減小施加電流，可用優(yōu)化后的磁路進(jìn)行Fe-Ga 合金磁特性測試。

從圖5a 可見，優(yōu)化后的裝置中，給激勵(lì)線圈通電流后，棒表面磁場強(qiáng)度與棒內(nèi)部磁場強(qiáng)度大小一致，并且分布基本均勻，因此可通過霍爾芯片測試棒表面磁場強(qiáng)度來判定棒內(nèi)部的磁場強(qiáng)度，還可以在棒外粘貼應(yīng)變片測試Fe-Ga 在磁場作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。優(yōu)化后的裝置可以作為Fe-Ga 合金磁特性測試的磁場施加裝置，還可用于低飽和磁場的其他磁致伸縮材料如Fe-Ni，F(xiàn)e-Co 等的磁特性測試。

3 Fe-Ga 磁特性測試裝置總體結(jié)構(gòu)

Fe-Ga 合金磁特性測試裝置主要包括：優(yōu)化后的磁路部分，用于給被測磁致伸縮棒提供激勵(lì)磁場；帶手輪的液壓壓片機(jī)用于給被測磁致伸縮棒提供預(yù)壓力；可調(diào)式直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，提供偏置電流和直流激勵(lì)電流；信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組合，提供交流激勵(lì)電流；激震器，提供規(guī)律變化的壓力；多路信號(hào)顯示與采集部分，用于顯示、收集測試數(shù)據(jù)。

圖6 磁特性測試裝置實(shí)物圖1—功率放大器 2—示波器 3—磁通計(jì) 4—信號(hào)發(fā)生器 5—直流電源 6—萬用表 7—?jiǎng)討B(tài)應(yīng)變儀 8—磁路部分 9—壓片機(jī)Fig.6 Photo of testing device of magnetic properties

磁致伸縮材料磁特性測試主要測試磁場強(qiáng)度H、應(yīng)變?chǔ)恕⒋鸥袘?yīng)強(qiáng)度B、壓應(yīng)力σ等幾路信號(hào)。測試裝置的實(shí)物圖如圖6 所示。給激勵(lì)線圈提供電流，在優(yōu)化后的磁路中產(chǎn)生磁場，被測棒內(nèi)部的磁場與棒表面的磁場一致，在垂直于被測棒的方向上利用霍爾芯片測量磁場強(qiáng)度H。采用壓片機(jī)提供壓力，用標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器（圖中未標(biāo)出）測試所施加壓力σ的大小；將應(yīng)變片貼在被測Fe-Ga 磁致伸縮棒表面，用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測量在磁場作用下材料產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)耍辉诒粶y棒的中央位置均勻地纏繞探測線圈，選用數(shù)字磁通計(jì)測量磁通量Φ，從而用來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B；采用示波器采集記錄測試的磁場強(qiáng)度H、應(yīng)變?chǔ)恕⒋鸥袘?yīng)強(qiáng)度B、壓應(yīng)力σ等信號(hào)。

4 Fe-Ga 磁特性測試結(jié)果

圖7 為Fe-Ga 合金靜態(tài)磁致伸縮效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。從圖7 可見，F(xiàn)e-Ga 合金的磁場和應(yīng)變之間呈現(xiàn)典型的磁致伸縮材料的“蝶形”曲線。不加預(yù)應(yīng)力時(shí)，在磁場為2.5kA/m 時(shí)，其飽和磁致伸縮約為250×10-6；當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力14MPa 時(shí)，其飽和磁致伸縮增加至275×10-6；繼續(xù)增加預(yù)應(yīng)力到28MPa，其飽和磁致伸縮增加至300×10-6左右。隨著預(yù)應(yīng)力的增加，達(dá)到飽和磁致伸縮需要的飽和磁場增加。該測試結(jié)果與國外報(bào)道的結(jié)果一致[13]。

圖7 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Static characterization

圖8 準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Quasi-static characterization

圖8 為Fe-Ga 合金在不同偏置電流作用下應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系測試結(jié)果。應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是測試Fe-Ga 合金在不同的偏置磁場下準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，用來表征磁致伸縮材料的逆磁致伸縮效應(yīng)。從圖8 可見，偏置電流增加時(shí)，初始的偏置磁場增加，同一應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變初始值增加，在該初始值的基礎(chǔ)上，當(dāng)給Fe-Ga 合金施加壓應(yīng)力，材料的應(yīng)變隨著壓應(yīng)力的增加而增加。這一變化趨勢與國外報(bào)道的Fe-Ga 合金的逆效應(yīng)變化趨勢一致[11]。

從圖7、圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，該裝置測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠，曲線細(xì)膩、光滑，其測試結(jié)果數(shù)據(jù)文件還可以進(jìn)行數(shù)字化處理。該裝置還能測試動(dòng)態(tài)電流作用下和動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下的Fe-Ga 合金磁特性。除Fe-Ga 合金外，該裝置對于飽和磁場低的磁致伸縮材料如Fe-Ni、Fe-Co 等的磁特性測試同樣適用。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種Fe-Ga 合金磁特性測試裝置。建立了磁路部分磁場的三維有限元分析模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，修改了局部結(jié)構(gòu)和調(diào)整了相關(guān)尺寸，使磁場強(qiáng)度分布更加均勻。制作了磁特性測試裝置磁路部分樣機(jī)，完成了磁特性測試裝置的總體搭建，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該測試裝置可對磁致伸縮棒材正逆效應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量，測量結(jié)果與國外報(bào)道的結(jié)果一致，具有穩(wěn)定可靠、精度高、操作簡單、自動(dòng)記錄等優(yōu)點(diǎn)。

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