Fe-Ga 合金磁特性測試裝置的設(shè)計與實驗

翁 玲 羅 檸 張露予 王躍虎 王博文

（河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 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)濟和高技術(shù)的發(fā)展具有推動作用，材料特性測試技術(shù)的發(fā)展同時又對相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有極大的推動作用。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，但同時又具有明顯的缺點，限制了它們的應用。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械性能又有較大的磁致伸縮率，并具有環(huán)境適應性強、經(jīng)濟適用等特點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行機械加工。

目前，國內(nèi)正處于對磁特性測試儀器的自主研究和設(shè)計階段，中國科學院物理研究所和河北工業(yè)大學共同研制的多參數(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)、動態(tài)應變系數(shù)、增量磁導率、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驗裝置[9]，本文設(shè)計了一種新型磁特性測試裝置，對Fe-Ga 樣品進行了磁致伸縮效應、逆磁致伸縮效應和動態(tài)特性測試，測量結(jié)果與國外報道的結(jié)果相符，對弱磁場測量的實驗研究具有積極的指導意義。

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、兩個并聯(lián)的激勵線圈、被測磁致伸縮棒。極頭1、極頭2 為固定裝置，通過外接的應力施加裝置（圖中未標出）固定被測的磁致伸縮棒。給激勵線圈通電流可在磁路回路中產(chǎn)生磁場。整個裝置的磁路分布在磁路回路、極頭1、極頭2、兩個激勵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，相對磁導率取1 500；兩個極頭選用導磁性鋼材料，相對磁導率取200；磁致伸縮棒選用Fe-Ga 材料，長度為4cm，實測相對磁導率為56.12。兩個激勵線圈均設(shè)計為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)值分析計算，圖3a、3b、3c 分別給出了Fe-Ga 棒表面磁場強度、棒截面磁場強度和棒軸向上的磁場強度。圖中用不同顏色代表不同的磁場強度大小。

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

可以看出，當左右虛擬線圈各為1 045 匝，施加同向電流3.0A 時，在磁致伸縮棒的中心位置D為2cm 處，棒內(nèi)的磁場強度大約為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，磁場強度約為32kA/m。磁致伸縮棒兩端產(chǎn)生的磁場強度遠遠小于棒中間段的磁場強度，從而使得整個棒上的磁場強度并不均勻。因此該初始結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化設(shè)計。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)磁場分布

為了使Fe-Ga 棒內(nèi)部磁場強度分布更加均勻，進行了優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，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極頭與棒之間的連接方式和兩個極頭的尺寸有關(guān)。因此改變兩個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，對于可調(diào)整的尺寸參數(shù)，每次改變其中一個參數(shù)，其他參數(shù)不變。以此順序找到每個可調(diào)整尺寸的最佳參數(shù)。程序循環(huán)運行，進行建模和運算。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)點總數(shù)為31 144。

圖5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)棒上磁場強度分布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)值分析計算，圖5a、5b、5c 分別給出了棒表面磁場強度、棒截面磁場強度和棒軸向上的磁場強度。從圖5c 可見，經(jīng)過優(yōu)化后，給激勵線圈施加同向電流3.0A 時，在棒中心位置D 為2cm 處，磁場強度大約為51kA/m，在棒兩端2cm±1.6cm 范圍內(nèi)，棒內(nèi)的磁場強度基本不變；在棒的邊緣兩側(cè)，如在棒0.4cm 和3.6cm 處，磁場強度約為56kA/m。棒內(nèi)部的磁場強度分布基本均勻。當施加電流為3.0A 時，優(yōu)化后裝置的磁場強度大小為51kA/m，報道Fe-Ga 合金在預應力為零時飽和磁場約為5.0kA/m，增加預應力至60MPa，飽和磁場至18kA/m[7]，可見，適當減小施加電流，可用優(yōu)化后的磁路進行Fe-Ga 合金磁特性測試。

從圖5a 可見，優(yōu)化后的裝置中，給激勵線圈通電流后，棒表面磁場強度與棒內(nèi)部磁場強度大小一致，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度來判定棒內(nèi)部的磁場強度，還可以在棒外粘貼應變片測試Fe-Ga 在磁場作用下產(chǎn)生的應變。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磁場；帶手輪的液壓壓片機用于給被測磁致伸縮棒提供預壓力；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電流；信號發(fā)生器和功率放大器組合，提供交流激勵電流；激震器，提供規(guī)律變化的壓力；多路信號顯示與采集部分，用于顯示、收集測試數(shù)據(jù)。

圖6 磁特性測試裝置實物圖1—功率放大器 2—示波器 3—磁通計 4—信號發(fā)生器 5—直流電源 6—萬用表 7—動態(tài)應變儀 8—磁路部分 9—壓片機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度H、應變λ、磁感應強度B、壓應力σ等幾路信號。測試裝置的實物圖如圖6 所示。給激勵線圈提供電流，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度H。采用壓片機提供壓力，用標準壓力傳感器（圖中未標出）測試所施加壓力σ的大?。粚兤N在被測Fe-Ga 磁致伸縮棒表面，用動態(tài)應變儀測量在磁場作用下材料產(chǎn)生的應變λ；在被測棒的中央位置均勻地纏繞探測線圈，選用數(shù)字磁通計測量磁通量Φ，從而用來測量磁感應強度B；采用示波器采集記錄測試的磁場強度H、應變λ、磁感應強度B、壓應力σ等信號。

4 Fe-Ga 磁特性測試結(jié)果

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

圖7 靜態(tài)實驗結(jié)果Fig.7 Static characterization

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

從圖7、圖8 實驗結(jié)果可見，該裝置測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠，曲線細膩、光滑，其測試結(jié)果數(shù)據(jù)文件還可以進行數(shù)字化處理。該裝置還能測試動態(tài)電流作用下和動態(tài)應力作用下的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)上進行了磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，修改了局部結(jié)構(gòu)和調(diào)整了相關(guān)尺寸，使磁場強度分布更加均勻。制作了磁特性測試裝置磁路部分樣機，完成了磁特性測試裝置的總體搭建，并進行了實驗測試。有限元分析和實驗結(jié)果均表明，該測試裝置可對磁致伸縮棒材正逆效應進行靜態(tài)、準靜態(tài)和動態(tài)測量，測量結(jié)果與國外報道的結(jié)果一致，具有穩(wěn)定可靠、精度高、操作簡單、自動記錄等優(yōu)點。

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