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降低巨磁strictive transducer（GMT）运行温度，研究径向槽磁导体圆柱槽宽对GMT振动性能及温升的影响，采用有限元法与实验测试，发现槽宽增加可降低共振频率和GMM杆温升，同时减小振幅和应力，仿真与实验结果一致。
刘强|文叶子|何西平|曹新良|曹淑瑶|王伟国|康芳|赵勤富|薛静静|杨彦宁
中国延安大学物理与电子信息学院，延安716000
摘要
为了降低巨磁致伸缩换能器（GMT）在运行过程中的温度升高，在GMT的磁导圆柱上制造了径向槽。使用有限元方法对GMT进行了动态和热分析，重点研究了磁导圆柱的槽宽对其振动性能以及运行过程中温度升高的影响。此外，还对装有径向槽的磁导圆柱的GMT的振幅和工作温度进行了实验测试。结果表明，增加磁导圆柱的径向槽宽可以降低GMT的共振频率和巨磁致伸缩材料（GMM）棒的工作温度。与未开槽的磁导圆柱相比，开槽后GMT的平均纵向振幅、平均横向振幅和平均最大应力均有所下降。随着运行时间的增加，GMT的纵向和横向振幅均有所减小。GMM棒的温度最高，线圈的温度高于磁导圆柱，尾部的温度最低。有限元计算得到的GMT温度升高趋势与实验测试结果基本一致。
引言
超声技术广泛应用于声纳、机械加工、细胞破碎、超声检测、医疗治疗等各种领域。作为振动系统的核心元件，它负责将电信号转换为超声振动。换能器主要有两种类型：压电换能器和磁致伸缩换能器[1]。GMM（Terfenol-D）是一类先进的功能材料。与压电陶瓷相比，GMM具有显著的磁致伸缩应变（磁致伸缩系数为1500–2000 ppm）、高能量密度、快速响应以及提供高功率和大振幅振动的潜力[2][3]。GMM具有出色的动态性能，使其适用于换能器、传感器、振动能量收集等相关领域[4][5][6]。
与电钢和纯铁等高磁导率材料相比，GMM的磁导率相对较低[7]。通常在GMT的线圈外部布置磁导材料以减少磁通量泄漏。在GMT的线圈外部安装磁导圆柱有助于提高其有效的机电耦合系数[8]。李等人通过实验测试分析了两种磁导材料（电纯铁和低碳钢）对GMT输出位移的影响。电纯铁能够增强GMM棒的磁场强度，减少磁通量泄漏，并增加其输出位移[9]。蔡等人使用电钢、铁氧体磁材料和磁粉芯制作了磁导体，并研究了这三种磁导体材料对GMT机电转换效率的影响[10]。高等人利用有限元方法研究了磁导端盖和磁导片的尺寸对巨磁致伸缩执行器（GMA）内部磁场的影响[11]。刘等人研究了磁导圆柱和磁导块的厚度对GMT磁场分布和输出振幅的影响[12]。王等人进行了仿真计算，以研究尺寸参数对GMT性能的影响，旨在获得GMT的最佳振动性能[13]。李等人对GMT进行了磁分析，发现提高磁导材料的磁导率可以增强GMM棒的磁场分布[14]。位于线圈周围的磁导材料可以减少GMT的磁通量泄漏，同时抑制运行热量的快速向外扩散。
为了最小化磁通量泄漏并同时冷却GMT，刘等人在GMT的磁导圆柱上进行了轴向开槽。通过有限元方法研究了磁导圆柱的槽宽对GMT GMM棒磁场均匀性和磁场强度的影响，并通过实验研究了槽宽对振幅和温度升高的影响[15]。刘等人采用电钢作为GMA的磁导材料。与实心电钢相比，层压电钢提高了GMM棒的磁场强度，同时也降低了电导率和涡流；实验测试表明，层压电钢执行器的振幅提高了44.2%[16]。白等人开发了一种带有嵌入式多肋磁电路的GMT，并利用有限元方法研究了轭肋数量对GMM棒磁场强度、电流密度和欧姆损耗的影响[17]。然而，磁轭对GMT温度升高和性能的影响尚未进行研究。
为了降低GMT的工作温度并提高其运行稳定性，在本文中，在GMT的磁导圆柱上制造了径向槽。使用COMSOL Multiphysics 5.4研究了不同槽宽的磁导圆柱对GMT振动性能和温度升高的影响。此外，还对GMT的振幅和工作温度进行了实验测试，并对其性能进行了分析和比较。
GMT的结构
图1展示了GMT的简化结构。预紧螺栓将GMT的不同部件连接在一起，同时对GMM棒施加适当的预应力。为了给GMM棒提供偏置磁场，在GMM棒的两端放置了永磁体。通过向激励线圈施加高频交流电，产生高频交流磁场，该磁场在GMM棒中诱导出超声频率的振动。
仿真计算
在GMT运行过程中，产生的热量主要通过三种方式传递：热辐射、热对流和热传导。热传递方程如下[18]：其中ρ表示密度，C?表示恒压比热容，T表示温度，k表示热导率。
在GMT运行过程中，产生的热量主要来源于磁滞损耗和涡流损耗
实验测试
从仿真计算可以看出，随着磁导圆柱槽宽的增加，GMT的平均振幅基本保持不变，而GMM棒的温度降低；然而，当槽宽过大时，磁导圆柱会发生振动。因此，确定磁导圆柱的槽宽为12毫米。图11展示了GMT的原型。图12展示了实验测试装置
结论
在本研究中，在GMT的磁导圆柱上制造了径向槽。通过有限元方法对带有不同槽宽的磁导圆柱的GMT进行了动态和热分析，研究了其振动性能以及运行一段时间后的温度升高，并对带有径向槽的GMT的振幅和工作温度进行了实验测试。
CRediT作者贡献声明
刘强：撰写——初稿。文叶子：正式分析。何西平：资金获取。曹新良：软件。曹淑瑶：数据整理。王伟国：方法论。康芳：可视化。赵勤富：资源。薛静静：验证。杨彦宁：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：12174241）、陕西省教育厅的科研计划项目（编号：24JK0718、23JK0727）、陕西省自然科学基础研究计划项目（编号：2025JC-YBQN-039）以及延安大学的博士研究启动项目（编号：YDBK2023-56）的支持。
