電磁換能器加載效率的優(yōu)化設計與仿真

林志琦，趙江托，施欣蓉，張睿

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春 130012）

電磁換能器加載效率的優(yōu)化設計與仿真

林志琦，趙江托，施欣蓉，張睿

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春 130012）

針對傳統(tǒng)的電磁超聲換能器導線與鋁板間由于集膚效應導致加載效率較低這種情況，設計了一種改造電磁超聲加載線圈和整體結構的新型電磁超聲加載裝置?；谟邢拊抡孳浖謩e建立傳統(tǒng)與新型的電磁超聲加載器的有限元分析模型，并對其激發(fā)過程進行仿真，將兩模型所得仿真結果（鋁板內(nèi)洛倫茲力，交變電流密度）進行分析對比。得出結論：新型的電磁超聲設計能夠顯著提高加載效率。

電磁超聲換能器；洛倫茲力；交變電流密度；加載效率

無損檢測是在不影響或不破壞被測試件的情況下使用的一種檢測技術［1］。當前經(jīng)常用到的無損檢測方式有射線照相檢驗、超聲檢測、磁粉檢測、液體滲透檢測、電磁超聲檢測等［2］。其中電磁超聲是一種在原理上不同于壓電超聲檢測的新型檢測技術［3］。

本文以鋁合金板材表層檢測為背景，采用有限元仿真軟件對電磁超聲換能器進行三維模型建立并仿真分析。本文主要研究傳統(tǒng)電磁超聲換能器在工作中幾個主要物理場圖形分布，進而在外界加載條件不變的情況下，重新設計新型電磁超聲加載裝置并進行仿真分析，同樣得到幾個主要物理場圖形分布［4］。兩者進行對比得出結論：新型的電磁加載裝置能夠顯著的提高電磁加載效率。

1 電磁超聲換能器的工作原理

由于電磁超聲激勵的不同，以較為常見的電磁超聲換能器的換能原理來簡單介紹電磁加載在鋁板中激發(fā)超聲波的原理。如圖1所示，在曲折線圈下方的被測試件內(nèi)部及周圍空氣中會產(chǎn)生一個由永磁體激發(fā)的磁場強度為B的偏置磁場。激勵線圈受到脈沖或時諧電流的激勵、在被測試件表層產(chǎn)生一個交變的電磁場，在試件內(nèi)部感生出渦流［5］，在偏置磁場的作用下感生的渦流產(chǎn)生交變的洛倫茲力，被測試件中質(zhì)點在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生機械振動，從而產(chǎn)生與激勵電流頻率一樣的超聲波［6］。

圖1 電磁超聲換能器的換能原理圖

2 電磁超聲換能器的三維建模

2.1 本體建模

電磁超聲換能器的電磁場模型主要包括永磁鐵、曲折線圈、鋁板、和空氣場等部分［7］。其中曲折線圈介于鋁板和永磁體之間。

為建立和仿真電磁超聲換能器產(chǎn)生的表面波，首先確定表面波的波長，從而確定換能器中激勵頻率（高頻電流）和曲折線圈的結構參數(shù)。選用高頻電流是頻率為500KHz，幅值為10A的兩個周期的正弦電流，超聲波的頻率與高頻電流頻率相同。已知超聲波在鋁板中的傳播速度約為3000m/s，則由公式：波長=速度/頻率，可知超聲表面波波長約為6mm。為了滿足表面波波長干涉條件，所以需將曲折線圈相鄰導線間間距定為表面波波長的一半，即為3mm［8］。并采用有限元軟件進行三維建模和仿真分析。

建立的傳統(tǒng)模型的各個具體參數(shù)如下：曲折線圈導線長10mm，寬0.5mm，厚0.5mm，相鄰導線的距離3mm；鋁板長10mm，寬20mm，厚1.4mm；永磁體長10mm，寬8mm，厚2mm；鋁板和曲折線圈間的提離距離設為0.6mm；空氣模型稍稍大些。其中材料選用鋁板，銅質(zhì)的曲折線圈，永磁體材料選擇空氣，它們的相對磁導率和相對介電常數(shù)均為1。如圖2所示是傳統(tǒng)電磁超聲換能器有限元仿真模型，此圖是略去空氣場的三維模型。

圖2 電磁超聲換能器的三維模型建立

2.2 仿真結果及分析

仿真結果主要從鋁板中的磁通密度，電流密度和鋁板上某個點的洛倫茲力和交變電流密度隨時間變化的曲線這四個方面進行分析。

鋁板上的磁場可以分為兩個部分：永磁體提供的靜態(tài)磁場和線圈產(chǎn)生的交變磁場。如圖3所示是永磁體在鋁板表面產(chǎn)生的靜磁場的磁通密度圖。從圖中可以看出永磁體在鋁板表面產(chǎn)生的靜磁場是不均勻的，邊緣磁感應強度最強，中心相對稍弱［9］。如圖4所示是曲折線圈在鋁板表面產(chǎn)生的交變磁場的電流密度圖，其形狀與曲折線圈的形狀類似，主要集中在曲折線圈的下方，但磁場強度比永磁體產(chǎn)生的靜磁場要小的多，這主要是鋁板內(nèi)產(chǎn)生渦流的原因。

圖3 永磁體在鋁板中產(chǎn)生的靜磁場的磁通密度

圖4 曲折線圈在鋁板中產(chǎn)生的交變磁場的電流密度

為了解鋁板內(nèi)洛倫茲力的具體情況，在鋁板上取了一個比較典型的點A點（A點坐標為0.45×106，如圖5所示）進行有限元仿真。如圖6所示，是鋁板上A點處洛倫茲力隨時間變化的曲線圖。從曲線圖中看出z軸方向上的洛倫茲力明顯強于x軸、y軸方向上的洛倫茲力，即靠近磁鐵邊緣處z軸方向上的洛倫茲力較強。如圖7所示，是A點處電流密度隨時間變化的曲線圖，從圖中看出A點y軸方向上的電流密度明顯大于其他兩個軸上電流密度，其電流密度的最大幅值為1.6×107A/m3。

圖5 鋁板上A點的位置

圖6 A點處洛倫茲力隨時間的變化曲線

圖7 A點處電流密度隨時間變化的曲線圖

3 新型電磁超聲加載器的三維建模

3.1 本體建模

設計的新型模型與傳統(tǒng)模型采用相同的加載條件，對導線施加相同頻率和幅值的高頻發(fā)射電流。同時所建新型電磁場模型的各個具體參數(shù)與傳統(tǒng)模型的參數(shù)基本相同。其不同主要是新型電磁場模型的線圈是兩根平行的導線并且線圈和鋁板間的提離距離變?yōu)?，其余均未發(fā)生變化。

加載高頻電流的線圈為兩根平行的導線，導線的上方為施加相反方向磁場的兩塊定向永磁體，導線的下方為鋁板，導線和鋁板間的提離距離為0。由于導線和鋁板直接接觸則能夠大大減小導線在鋁板內(nèi)產(chǎn)生的渦流，所以在鋁板內(nèi)不會產(chǎn)生集膚效應。如圖8所示是新型電磁超聲加載器有限元仿真模型，此圖是略去空氣場的三維模型。

圖8 新型電磁超聲加載器的三維模型

3.2 仿真結果及分析

仿真結果依然主要從鋁板中的磁通密度，電流密度和鋁板上某個點的洛倫茲力和電流密度隨時間變化的曲線這四個方面進行分析。

圖9 永磁體在鋁板中產(chǎn)生的靜磁場的磁通密度

圖10 兩平行導線在鋁板中產(chǎn)生的交變磁場的電流密度

如圖9所示是永磁體在鋁板中產(chǎn)生的靜磁場的磁通密度圖。如圖10所示是兩根平行導線在鋁板表面產(chǎn)生的交變磁場的電流密度圖。從基本模型的分析可知，交變磁場在鋁板表面的電流密度圖仍同導線分布大體相同。

同樣，為了解鋁板內(nèi)洛倫茲力的具體情況，在鋁板上取一個比較典型的點A點（A點的坐標為（6.3，10，1.4），如圖11所示）進行有限元仿真。已知鋁板內(nèi)各處洛倫茲力的各個方向分量的峰值出現(xiàn)在兩平行導線的正下方，并且各個位置的x，y，z分量所占的比重也并不相同。通過有限元仿真得到A點處洛倫茲力隨時間變化的曲線圖，如圖12所示。從曲線圖中看出x軸方向上的洛倫茲力明顯強于y軸、z軸方向上的洛倫茲力，即靠近磁鐵邊緣處x軸方向上的洛倫茲力較強。同時，通過有限元仿真也可得到A點處電流密度隨時間變化的曲線，如圖13所示。從曲線中可以看出A點在y軸方向上的電流密度遠大于x，z軸兩個方向上的電流密度，其值為5.0×107A/m3。

圖11 鋁板上A點的位置

圖12 A點處洛倫茲力隨時間的變化曲線圖

圖13 A點處電流密度隨時間變化的曲線圖

4 結論

傳統(tǒng)電磁超聲換能器與新型電磁超聲加載器在相同加載條件下，主要從鋁板上一個特殊點的處洛倫茲力的大小與電流密度的幅值大小進行對比，進而得出結論。

如表1所示為兩模型在相同加載條件下的特征對比表：

表1 傳統(tǒng)與新型電磁超聲模型在相同加載條件下特征對比表

通過以上分析可以看出，新型的電磁超聲加載器與傳統(tǒng)的電磁超聲換能器相比較，傳統(tǒng)的線圈與鋁板之間由于提離距離所產(chǎn)生的渦流以及永磁體產(chǎn)生的靜磁場同曲折線圈產(chǎn)生的交變磁場共同作用產(chǎn)生的洛倫茲力都小于導線同鋁板接觸的新型電磁超聲加載器直接產(chǎn)生的電流所激發(fā)的這些物理量。

由此得出結論：這種新型的電磁超聲加載裝置能夠顯著的提高電磁加載效率。

［1］張艷浩.非鐵磁材料的電磁超聲換能器設計［D］.天津：河北工業(yè)大學，2012.

［2］崔玲麗，康晨暉，張建宇，等.金屬磁記憶在齒輪早期微裂紋檢測中的應用［J］.北京工業(yè)大學學報，2012，38（10）：1441-1445.

［3］高文憑.金屬板電磁超聲導波機理研究與仿真分析［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2011.

［4］高志勇.電磁超聲激發(fā)系統(tǒng)仿真分析與實驗研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，2013.

［5］李鶯鶯.油氣管道在線內(nèi)檢測技術若干關鍵問題研究［D］.天津：天津大學，2006.

［6］楊理踐，張路遙，高松巍.電磁超聲表面波產(chǎn)生機理的ANSYS仿真［J］.通信市場，2009（11）：186-191.

［7］劉素貞，張闖，金亮，等.電磁超聲換能器的三維有限元分析［J］.電工技術學報，2013，28（8）：7-12.

［8］李智超.基于洛倫茲力機理的電磁超聲換能器建模及仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

［9］王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器三維有限元分析及優(yōu)化設計［J］.中國電機工程學報，2009，29（30）：123-128.

The Optimization Design and Simulation
of Electromagnetic Transducer’s Loading Efficiency

LIN Zhiqi，ZHAO Jiangtuo，SHI Xinrong，ZHANG Rui

（School of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012）

Because of the skin effect between the wire and the aluminum plate，the traditional electromagnetic ultrasonic transducer’s load efficiency is low.In view of this situation，we design a novel electromagnetic ultrasonic loading device which have transformed the loading coil and the whole structure.Based on the finite element simulation software，the traditional and novel electromagnetic ultrasonic loader finite element analysis models were established separately.After simulating the excitation process，we can get the simulation results（the Lorenz force in aluminum plate，the alternating current density）of the two models.After analyzing and contrasting the simulation results，we get the conclusion：the novel electromagnetic ultrasonic design can effectively improve the loading efficiency.

electromagnetic acoustic transducer；Lorenz force；the alternating current density；the loading efficiency

TM15

A

1672-9870（2017）01-0102-04

2016-09-15

林志琦（1964-），男，教授，E-mail：550979759@qq.com