COMSOL仿真 | 非线性磁致伸缩换能器

2024-05-29 17:35:27

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实验 ·了解

01磁致伸缩

磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向会发生伸长或缩短，当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸会发生显著变化的一种现象。

简单来说就是铁磁性材料在磁场中会由于磁化强度的变化而引起材料的尺寸变化。具有这一性质的材料称为磁致伸缩材料。

02非线性磁致伸缩换能器

非线性磁致伸缩换能器就是指利用材料伸缩产生驱动力，进而转换成能量的仪器。

磁致伸缩材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能转换成电磁能，它是重要的能量与信息转换功能材料。

03仿真实验来源

2020年国际青年物理学家竞赛IYPT第四题：

“歌神”铁氧体 —— 将铁氧体棒插入信号发生器供电的线圈中。在某些频率下，铁氧体棒开始发出声音。

这一现象的研究就是基于磁致伸缩的性质。

实验·仿真

01典型图示

下图是一张典型的磁致伸缩换能器：

图1 // 磁致伸缩换能器

钢壳内封闭有驱动线圈，磁致伸缩材料放在结构中心，当通过驱动线圈的电流产生磁场时，磁致伸缩材料收磁场作用形成驱动器。

02模型建构

下面是我们建立的模型，蓝色部分为磁致伸缩材料，绿色部分为软铁材料，其他部分均为空气。

图3 // 软铁材料

03仿真结果

设置各材料的相关参数，在线圈中通入密度为10⁶A/m²的恒定外部电流并进行计算绘图：

图4 // 应力的表面图

该图表明由于磁致伸缩引起的应力在除棒地面附近区域外其他各处均为零，由于棒底端施加了固定约束边界条件，应力不为零。

图5 // 磁通密度表面图

可发现大部分磁通量被强制绕回在钢壳中，磁致伸缩芯中磁通量密集，棒中除了两端出现边缘效应外，其余部分磁通量是均匀分布。

图6 // 空间立体图像

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