- 頭條河北工大學者發布變溫條件下TbDyFe合金高頻磁特性的研究成果2022-04-29 作者：黃文美、夏志玉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）的研究人員黃文美、夏志玉、郭萍萍、翁玲，在2022年第1期《電工技術學報》上撰文，通過搭建溫度可控的高頻磁特性測試系統，測試并分析了不同溫度條件下TbDyFe合金在不同勵磁頻率和磁通密度幅值下的動態磁特性，建立了考慮溫度效應的變系數高頻磁能損耗計算模型。
超磁致伸縮材料TbDyFe合金被認為是制作大功率、高頻磁致伸縮換能器核心驅動元件的理想材料，它具有能量密度高（約25kJ/m3）、響應速度快（μs級）、控制精度和位移分辨率高等優點，可廣泛應用在超聲清洗、超聲加工、金屬探傷、海底探測、脫硫和醫療器械等領域。由于TbDyFe合金具有溫度敏感特性，研究變溫條件下TbDyFe合金的高頻磁特性及損耗特性，為高頻換能器的溫控系統設計提供數據和理論支持，對于設計高頻范圍的磁致伸縮器件至關重要。
有學者指出在磁有序晶體中，溫度的改變會引起磁有序狀態和磁體內易磁化軸的變化，當材料處于磁化狀態時，其磁矩方向受熱運動影響很大，而呈現Brown轉動的特點。有學者研究了溫度對TbDyFe合金飽和磁化強度、磁致伸縮應變及楊氏模量的作用，證明了溫度是磁特性研究不可忽略的因素，但是尚未就溫度對損耗特性的影響進行測試分析。
有學者通過對動態磁滯模型的研究發現，磁性材料中動態損耗的物理來源是平均再磁化速度，并基于磁通密度的加權時間導數提出了一種任意形狀勵磁電流下磁性材料的損耗計算方法。有學者基于TbDyFe合金的高頻動態磁滯回線及損耗測試數據，探究了各項損耗系數隨頻率和磁通密度幅值的變化趨勢，但忽略了溫度對TbDyFe合金磁特性的作用。
在此基礎上，河北工業大學科研人員重點研究溫度這一因素對TbDyFe合金高頻磁能損耗的影響。
在經典的損耗分離模型中，損耗是關于磁化頻率f和磁通密度幅值Bm的二元函數，在固定的磁化條件下，無論環境溫度是多少，損耗模型的計算結果都不會發生變化，這與實驗結果明顯不符。
針對上述問題，河北工業大學科研人員搭建溫度可控的高頻磁特性測試系統，選用方形薄片樣品來研究磁致伸縮材料的溫度敏感特性。由于樣品尺寸較小，且放在恒溫箱中控制溫度的變化，材料表面與內部的溫差可以忽略不計，可看作是處于一個溫度恒定且分布均勻的環境中，所以本實驗中所給定的環境溫度就是樣品的工作溫度。
圖1 動態磁特性測試系統原理
通過實驗研究有限個均勻分布的溫度條件下TbDyFe合金在不同頻率f和磁通密度幅值Bm下的動態磁特性曲線，從中提取磁特性參數。建立一種基于Bertotti損耗分離理論，且面向工程應用的變溫條件下材料的損耗計算模型。
該模型基于損耗分離三項式引入溫度有關項對損耗系數進行修正，并且綜合考慮高頻磁滯特性和趨膚效應的影響，引入了損耗附加磁通密度項及損耗附加頻率項實現準確計算，根據實驗結果進行計算，確定了損耗系數的變化規律，從而實現了考慮溫度效應的改進損耗計算。通過對比多組損耗的實驗測量值（頻率范圍為1～20kHz，磁通密度幅值范圍為0.01～0.07T，溫度范圍為10～80℃）及模型計算值，驗證了本研究所提的變溫條件下TbDyFe合金高頻磁能損耗計算模型的準確性和可行性。
圖2 實驗測試平臺
科研人員提出的主要研究結論如下：
1）當磁通密度幅值Bm≤0.07T、頻率f ≤20kHz時，隨著環境溫度從10℃增加到80℃，動態磁滯回線橫向變窄，振幅磁導率逐步增加，矯頑力和磁能損耗逐步減少。
2）提出一種計及溫度變化的磁致伸縮材料的高頻磁能損耗計算模型。模型通過引入溫度有關項對損耗系數進行修正；并且綜合考慮了高頻磁滯特性和趨膚效應的影響，引入了損耗附加磁通密度項及損耗附加頻率項，從而建立了可以有效考慮溫度效應的變系數高頻磁能損耗計算模型。
他們最后表示，本研究結果面向實際工程應用，可為磁致伸縮材料在實際工作中的高頻損耗預測、溫控系統設計及產品優化提供數據支持和理論支撐。
本文編自2022年第1期《電工技術學報》，論文標題為“變溫條件下TbDyFe合金高頻磁特性和損耗特性分析”，作者為黃文美、夏志玉 等。
