Fe-Ga 合金磁特性测试装置的设计与实验

翁 玲 罗 柠 张露予 王跃虎 王博文

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130）

1 引言

材料、能源与信息技术被称为现代人类文明的三大支柱。材料对国民经济和高技术的发展具有推动作用，材料特性测试技术的发展同时又对相关领域的发展具有极大的推动作用。随着磁致伸缩材料的发展，磁致伸缩材料的磁特性和基于磁特性基础上的磁性材料应用是目前研究的热门[1-3]。

传统磁致伸缩材料和超磁致伸缩材料都具有其显著的优点，但同时又具有明显的缺点，限制了它们的应用。2000 年，Clark 等发现，加入Ga 能使Fe 的磁致伸缩性能提高10 倍以上，Fe-Ga 合金（被命名为Galfenol）填补了传统磁致伸缩材料与超磁致伸缩材料之间的空白，是一种既有良好的机械性能又有较大的磁致伸缩率，并具有环境适应性强、经济适用等特点的新型磁致伸缩材料[4]。与传统磁致伸缩材料相比，Galfenol 合金无需添加稀土元素Tb 和Dy，成本大大降低，且具有优良的机械性能[5-7]，脆性小、可热轧，可以利用传统的金属加工方法对其进行机械加工。

目前，国内正处于对磁特性测试仪器的自主研究和设计阶段，中国科学院物理研究所和河北工业大学共同研制的多参数磁测量系统能够完成对高饱和磁场的磁致伸缩材料静态参数、动态应变系数、增量磁导率、频率阻抗特性的测量[8]。但是对于具有低饱和磁场的材料，如Fe-Ga、Fe-Ni、Fe-Co 等，利用多参数磁测量系统测试，在低磁场范围内其采样数据较为稀疏，测试结果不能准确反映材料的磁特性。目前，国内对于具有低饱和磁场的磁致伸缩材料的磁特性测试装置的研究较少。

对比传统的磁特性检测方法和实验装置[9]，本文设计了一种新型磁特性测试装置，对Fe-Ga 样品进行了磁致伸缩效应、逆磁致伸缩效应和动态特性测试，测量结果与国外报道的结果相符，对弱磁场测量的实验研究具有积极的指导意义。

2 磁场的三维有限元分析

2.1 磁路部分初始结构

图1 所示为磁特性测试装置磁路部分初始结构。分成以下几部分：磁路回路、极头1、极头2、两个并联的激励线圈、被测磁致伸缩棒。极头1、极头2 为固定装置，通过外接的应力施加装置（图中未标出）固定被测的磁致伸缩棒。给激励线圈通电流可在磁路回路中产生磁场。整个装置的磁路分布在磁路回路、极头1、极头2、两个激励线圈和一根被测的磁致伸缩棒中。

图1 磁路部分初始结构1—极头1 2—磁路回路 3—激励线圈4—被测磁致伸缩棒 5—极头2Fig.1 Initial structure of the magnetic circuit

在磁场分析中，磁路回路模块用硅钢片叠加而成，相对磁导率取1 500；两个极头选用导磁性钢材料，相对磁导率取200；磁致伸缩棒选用Fe-Ga 材料，长度为4cm，实测相对磁导率为56.12。两个激励线圈均设计为1 045 匝，最大同向电流5.0A。

2.2 初始结构磁场分布

图2 所示为初始结构磁路部分三维有限元网格模型。该模型为ANSYS 模型，模型单元总数为113 684，节点总数为21 270。

图2 初始结构三维有限元网格模型Fig.2 Mesh model of the initial prototype

通过施加边界条件和有限元数值分析计算，图3a、3b、3c 分别给出了Fe-Ga 棒表面磁场强度、棒截面磁场强度和棒轴向上的磁场强度。图中用不同颜色代表不同的磁场强度大小。

图3 初始结构棒上磁场强度分布Fig.3 Field distribution on the rod of the initial prototype

可以看出，当左右虚拟线圈各为1 045 匝，施加同向电流3.0A 时，在磁致伸缩棒的中心位置D为2cm 处，棒内的磁场强度大约为72kA/m；中心位置两侧2cm±0.8cm 范围内，棒内的磁场强度基本不变；然而在棒的边缘两侧，如在棒0.4cm 和3.6cm处，磁场强度约为32kA/m。磁致伸缩棒两端产生的磁场强度远远小于棒中间段的磁场强度，从而使得整个棒上的磁场强度并不均匀。因此该初始结构需要进行优化设计。

2.3 优化结构磁场分布

为了使Fe-Ga 棒内部磁场强度分布更加均匀，进行了优化磁路结构设计，修改了局部结构并调整了相关尺寸。经过初始结构的磁场分析可见，棒内部磁场分布不均匀，在棒两端磁场衰减较大，棒两端磁场衰减大与两个极头与棒之间的连接方式和两个极头的尺寸有关。因此改变两个极头与磁致伸缩棒的接触方式，将极头探入由磁路回路模块组成的窗型结构内部，并使极头尺寸变长，极头与Fe-Ga合金磁致伸缩棒的衔接方式改为光面接触。

编写APDL 命令流[10]，设置循环结构。循环时，对于可调整的尺寸参数，每次改变其中一个参数，其他参数不变。以此顺序找到每个可调整尺寸的最佳参数。程序循环运行，进行建模和运算。比较每次结果的磁场分布，选出磁场分布最均匀的方案。图4 所示为测试装置经过优化后的最优结构三维有限元网格模型。模型单元总数为160 467，节点总数为31 144。

图5 优化结构棒上磁场强度分布Fig.5 Field distribution on the rod of the optimized prototype

通过施加边界条件和有限元数值分析计算，图5a、5b、5c 分别给出了棒表面磁场强度、棒截面磁场强度和棒轴向上的磁场强度。从图5c 可见，经过优化后，给激励线圈施加同向电流3.0A 时，在棒中心位置D 为2cm 处，磁场强度大约为51kA/m，在棒两端2cm±1.6cm 范围内，棒内的磁场强度基本不变；在棒的边缘两侧，如在棒0.4cm 和3.6cm 处，磁场强度约为56kA/m。棒内部的磁场强度分布基本均匀。当施加电流为3.0A 时，优化后装置的磁场强度大小为51kA/m，报道Fe-Ga 合金在预应力为零时饱和磁场约为5.0kA/m，增加预应力至60MPa，饱和磁场至18kA/m[7]，可见，适当减小施加电流，可用优化后的磁路进行Fe-Ga 合金磁特性测试。

从图5a 可见，优化后的装置中，给激励线圈通电流后，棒表面磁场强度与棒内部磁场强度大小一致，并且分布基本均匀，因此可通过霍尔芯片测试棒表面磁场强度来判定棒内部的磁场强度，还可以在棒外粘贴应变片测试Fe-Ga 在磁场作用下产生的应变。优化后的装置可以作为Fe-Ga 合金磁特性测试的磁场施加装置，还可用于低饱和磁场的其他磁致伸缩材料如Fe-Ni，Fe-Co 等的磁特性测试。

3 Fe-Ga 磁特性测试装置总体结构

Fe-Ga 合金磁特性测试装置主要包括：优化后的磁路部分，用于给被测磁致伸缩棒提供激励磁场；带手轮的液压压片机用于给被测磁致伸缩棒提供预压力；可调式直流稳压稳流电源，提供偏置电流和直流激励电流；信号发生器和功率放大器组合，提供交流激励电流；激震器，提供规律变化的压力；多路信号显示与采集部分，用于显示、收集测试数据。

图6 磁特性测试装置实物图1—功率放大器 2—示波器 3—磁通计 4—信号发生器 5—直流电源 6—万用表 7—动态应变仪 8—磁路部分 9—压片机Fig.6 Photo of testing device of magnetic properties

磁致伸缩材料磁特性测试主要测试磁场强度H、应变λ、磁感应强度B、压应力σ等几路信号。测试装置的实物图如图6 所示。给激励线圈提供电流，在优化后的磁路中产生磁场，被测棒内部的磁场与棒表面的磁场一致，在垂直于被测棒的方向上利用霍尔芯片测量磁场强度H。采用压片机提供压力，用标准压力传感器（图中未标出）测试所施加压力σ的大小；将应变片贴在被测Fe-Ga 磁致伸缩棒表面，用动态应变仪测量在磁场作用下材料产生的应变λ；在被测棒的中央位置均匀地缠绕探测线圈，选用数字磁通计测量磁通量Φ，从而用来测量磁感应强度B；采用示波器采集记录测试的磁场强度H、应变λ、磁感应强度B、压应力σ等信号。

4 Fe-Ga 磁特性测试结果

图7 为Fe-Ga 合金静态磁致伸缩效应实验测试结果。从图7 可见，Fe-Ga 合金的磁场和应变之间呈现典型的磁致伸缩材料的“蝶形”曲线。不加预应力时，在磁场为2.5kA/m 时，其饱和磁致伸缩约为250×10-6；当施加预应力14MPa 时，其饱和磁致伸缩增加至275×10-6；继续增加预应力到28MPa，其饱和磁致伸缩增加至300×10-6左右。随着预应力的增加，达到饱和磁致伸缩需要的饱和磁场增加。该测试结果与国外报道的结果一致[13]。

图7 静态实验结果Fig.7 Static characterization

图8 准静态实验结果Fig.8 Quasi-static characterization

图8 为Fe-Ga 合金在不同偏置电流作用下应力与应变关系测试结果。应力与应变关系是测试Fe-Ga 合金在不同的偏置磁场下准静态应力与应变的关系，用来表征磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应。从图8 可见，偏置电流增加时，初始的偏置磁场增加，同一应力对应的应变初始值增加，在该初始值的基础上，当给Fe-Ga 合金施加压应力，材料的应变随着压应力的增加而增加。这一变化趋势与国外报道的Fe-Ga 合金的逆效应变化趋势一致[11]。

从图7、图8 实验结果可见，该装置测试结果稳定、可靠，曲线细腻、光滑，其测试结果数据文件还可以进行数字化处理。该装置还能测试动态电流作用下和动态应力作用下的Fe-Ga 合金磁特性。除Fe-Ga 合金外，该装置对于饱和磁场低的磁致伸缩材料如Fe-Ni、Fe-Co 等的磁特性测试同样适用。

5 结论

设计了一种Fe-Ga 合金磁特性测试装置。建立了磁路部分磁场的三维有限元分析模型，在此基础上进行了磁路结构设计，修改了局部结构和调整了相关尺寸，使磁场强度分布更加均匀。制作了磁特性测试装置磁路部分样机，完成了磁特性测试装置的总体搭建，并进行了实验测试。有限元分析和实验结果均表明，该测试装置可对磁致伸缩棒材正逆效应进行静态、准静态和动态测量，测量结果与国外报道的结果一致，具有稳定可靠、精度高、操作简单、自动记录等优点。

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