直流偏置對磁致伸縮材料高頻動態損耗及磁特性的影響分析

黃文美 郭萍萍 郭萬里 翁 玲 周 嚴

直流偏置對磁致伸縮材料高頻動態損耗及磁特性的影響分析

黃文美1,2郭萍萍1,2郭萬里1,2翁 玲1,2周 嚴3

（1. 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） 天津 300130 2. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 3. 天津商業大學理學院 天津 300130）

直流偏置磁場會造成磁致伸縮材料磁滯回環的畸變與不對稱，影響材料的損耗數值與磁滯特性，且現有的磁能損耗模型無法對變直流偏置磁場下的損耗進行準確的表征和計算，因此有必要研究直流偏置對磁致伸縮材料磁特性的影響規律及數學表述，這對提高大功率磁致伸縮器件的輸出性能具有重要意義。該文在變直流偏置激勵條件下，測試了Terfenol-D樣品在不同交流激勵頻率和磁通密度幅值下的動態磁滯回線，發現了其變化規律并提取了損耗特性和磁滯特性參數；基于Bertotti損耗分離理論和實測數據，采用Levebverg-Marquard算法，建立計及直流偏置影響的磁致伸縮材料高頻損耗計算模型，該模型采用多元參數回歸方法，通過引入直流偏置相關項對損耗系數進行修正；多種工況下的損耗計算值與實驗值對比分析表明了計及直流偏置影響的磁致伸縮材料高頻動態損耗特性模型的準確性。

Terfenol-D合金 直流偏置 高頻動態磁滯特性 磁能損耗模型

0 引言

超磁致伸縮材料Terfenol-D合金由于具有能量密度高（約25kJ/m3）、磁致伸縮應變大（約0.0016）響應速度快（ms級）等優點被廣泛應用于制作高頻換能器核心驅動元件。但高頻激勵下，磁致伸縮材料的巨大磁能損耗限制了磁致伸縮換能器的輸出特性[1-5]。磁致伸縮換能器通常在直流偏置磁場下運行，以消除倍頻效應并優化輸出性能[6-7]。因此，研究磁致伸縮材料在直流偏置工況下的損耗特性和磁滯特性是高頻磁致伸縮換能器結構設計與輸出模型的研究基礎和關鍵。

近年來，國內外磁能損耗的計算方法主要有兩類：一是磁滯模型，主要為Jiles-Atherton模型和Preisach模型，此類模型具有較高的計算精度，但由于參數辨識過程復雜，時間復雜度較高，其工程應用較為困難[8-9]；二是經驗公式模型，能夠簡化損耗的分析處理過程，直觀建立損耗、磁通密度幅值和頻率的關系，通過大量的實驗數據進行擬合計算識別模型參數，計算精度可以得到提高[10]。文獻[11]結合靜態J-A磁滯模型，通過對硅鋼片進行磁性能測試獲得不同頻率正弦及直流偏磁工況損耗特性數據，分析了頻率對磁滯特性的影響規律，提出一種可以考慮頻率效應的磁滯建模方法，用于模擬不同頻率正弦及偏磁工況下硅鋼片的磁滯特性，但其辨識參數復雜且激勵頻率最大為400Hz。文獻[12]以Preisach磁滯模型為基礎，通過兩組非對稱的一階回轉曲線得到Everett函數，建立了動態損耗模型，實現交直流混合激勵條件下動態磁滯特性及總損耗的預測，但該模型未通過實驗對其精度進行驗證。文獻[13]在Steinmetz損耗模型的基礎上，基于實驗數據通過引入等效電導率參數提出了一種改進的考慮直流偏磁的鐵損耗模型，但測試的直流偏置磁場強度較小。文獻[14]在直流偏置磁場飽和效應下，基于Steinmetz Premagnetization Graph（SPG）法，通過引入考慮頻率與直流偏置因素的損耗系數修正鐵損模型，但該模型損耗測試的頻率范圍為50～500Hz且未對總損耗進行分離。文獻[15]根據Bertotti損耗分離公式，在矩形激勵及低直流偏置磁場（0～30A/m）工況下，通過引入直流偏磁的磁滯回環畸變形狀因子建立了直流預磁化分離鐵心損耗模型，該模型更適用于非正弦激勵下的鐵損計算，未考慮磁致伸縮材料的倍頻效應影響。文獻[16-18]通過搭建磁致伸縮材料Terfenol-D合金的高頻損耗測試平臺，根據測試的高頻動態磁滯回線建立了考慮損耗系數隨頻率和磁通密度幅值變化的變系數磁能損耗模型，該模型可以精準預測高頻下磁致伸縮材料的磁能損耗，未考慮直流偏置對Terfenol-D合金損耗及磁特性的影響。然而，實驗中發現直流偏置磁場對Terfenol-D磁能損耗的影響不容忽視：當為10kHz，交流磁通密度幅值acm為0.06T時，最大損耗偏差可達27.6%。

針對上述存在問題，本文搭建了考慮變直流偏置磁場的Terfenol-D高頻動態磁特性實驗測試平臺，測試了樣品在不同直流偏置dc、激勵頻率和交流磁通密度幅值acm下的動態磁滯回線?；贐ertotti損耗分離理論與所測實驗數據，建立了一種改進的考慮直流偏置磁場的超磁致伸縮材料高頻磁能損耗分離模型。在該模型中，不僅引入直流偏置項來修正損耗系數，同時考慮了動態磁特性和趨膚效應的影響，增加了附加激勵頻率項和磁通密度幅值項，提高了模型精度，并對從測試的動態磁滯回線中提取偏置磁場對磁特性參數的影響因素進行詳細分析。對比多組實驗測試數據（頻率范圍為5～25kHz、磁通密度幅值范圍為0.01～0.06T，直流偏置磁場強度的范圍為0～5kA/m）和模型計算數據，驗證了所提出的考慮變直流偏置磁場影響的磁致伸縮材料高頻動態損耗模型的準確性和有效性。

1 測試系統原理及實驗裝置

1.1 磁致伸縮材料的磁特性理論

磁致伸縮材料在正弦交變磁場中被磁化時，由于疇壁移動和磁疇內磁矩轉向存在不可逆磁化階段造成材料內部能量損耗，使材料內部磁感應強度始終落后于交變磁場一個相位。在動態磁化過程中，交變磁場的簡諧變化和對應的復數形式為

若正弦交變磁場較小，磁滯回線為橢圓形。磁感應強度和波形相同，但落后一個相位，因此的簡諧變化和對應的復數形式為

式中，acm為交變激勵磁場的磁場強度峰值；acm為交流磁通密度幅值；為圓頻率（rad/s）；為落后的相位差。復數磁導率定義為

式中，為磁致伸縮材料磁心的橫截面積；m為磁心內磁路的長度；H為線圈匝數。

在正弦激勵磁場中，介質損耗因數是材料在一個周期內磁能損耗與磁能存儲的比值，表征材料在磁化過程中磁能的損耗性能。品質因數是介質損耗因數的倒數，表征材料在一個周期的磁化過程中內磁能的儲存特性。材料的損耗因數和品質因數分別為

磁致伸縮材料在交變磁場中會產生形變位移，磁致伸縮效應引起的應變只與磁場的大小有關，與磁場的方向無關。因此盡管正半周和負半周的磁場方向相反，但兩個半周激發的彈性波的振動方向是相同的，產生倍頻現象，同時使材料的工作區域處于非線性區域。磁致伸縮材料的倍頻效應如圖1所示，加入直流偏置磁場后，磁致伸縮材料工作區域會偏移一個初始位移dc，使磁致伸縮材料工作在磁致伸縮性能良好的線性段并且消除倍頻效應，增大材料輸出特性。

圖1 磁致伸縮材料的倍頻效應

1.2 考慮直流偏置的高頻動態磁特性實驗裝置

為獲取變直流偏置下磁致伸縮材料的動態損耗及磁特性變化情況，本文根據磁特性理論搭建了直流偏置下高頻動態磁特性測試系統，其原理圖及實驗裝置圖分別如圖2和圖3所示。

磁特性測試系統的工作原理為：由信號發生器產生正弦交變電流，通過功率放大器放大信號后經初級線圈給實驗樣品提供交變磁場，通過采樣電阻上的電壓反映磁場強度變化，并將電壓變化信號錄入數據采集系統。次級線圈與積分放大電路連接并通過積分放大電路中電容電壓來體現實驗樣品磁通密度的變化。數據采集系統同時記錄放大電路中電容電壓信號的變化。直流電壓源以第三繞組將偏置電壓加載到樣品中，通過調節直流電流調節偏置磁場的大小。數據采集系統記錄的積分放大電路中次級線圈數據和采樣電阻中初級線圈數據經計算機處理，最終得到實驗樣品的高頻動態磁滯回線。

圖2 直流偏置下高頻動態磁特性測試系統原理圖

圖3 高頻動態磁特性測試實驗裝置圖

實驗樣品為：Terfenol-D方環，內徑9×9mm、外徑15×15mm、厚度為2mm。初級線圈選用56匝、線徑為0.5mm的漆包線，次級線圈選用10匝、線徑為0.15mm的漆包線。直流偏置磁場第三繞組線圈選用48匝、線徑為0.5mm的漆包線。

實驗樣品磁場強度和磁通密度的計算公式為

式中，1和2分別為初級線圈和次級線圈的匝數；為環形樣品的橫截面積；為樣品的有效磁路長度；()為初級線圈電流；2()為次級線圈電壓。根據實驗測試的動態磁滯回線及磁滯回線理論可以提取實驗樣品的磁特性參數。

2 直流偏置下高頻動態磁能損耗計算模型

基于Bertotti損耗分離理論，Terfenol-D合金的高頻磁能損耗在正弦激勵下可分離為磁滯損耗、渦流損耗及剩余損耗三部分[19]。

式中，和acm分別為交流激勵磁場頻率和磁通密度幅值；h、e和a分別為磁滯損耗系數、渦流損耗系數和剩余損耗系數[19]。

由于損耗產生的機理不同，磁滯損耗又稱為靜態損耗，渦流和異常損耗的頻率依賴性敏感，通常將其統稱為動態損耗[19-20]，因此，高頻損耗可以寫成兩項表達式。

式中，sta為靜態損耗系數；dyn為動態損耗系數。

由于Terfenol-D在高頻激勵下會產生渦流趨膚效應，各項損耗系數將不再是常數。根據經典的損耗分離公式，各項損耗是以磁通密度幅值與激勵頻率為自變量的函數，不能體現直流偏置磁場對磁能損耗的影響程度。因此，為了研究直流偏置對磁致伸縮材料的損耗及磁特性影響，探索各項損耗系數隨、acm、dc的變化規律十分必要。結合實驗測試的損耗數據，本文提出的考慮直流偏磁的高頻磁能損耗模型為

根據Levenberg-Marquardt迭代算法，通過將不同、acm、dc下的損耗系數利用多元參數回歸分析法計算，可得到考慮直流偏置磁場的損耗系數，其表達式為

在有限測試數據基礎上，將式（19）和式（20）所得損耗系數代入式（17），便可得到任意激勵條件下計及直流偏置影響的磁致伸縮材料高頻損耗計算值。

3 測試結果與模型計算分析

Terfenol-D合金樣品的高頻磁能損耗是激勵頻率、交流磁通密度幅值acm、偏置磁場dc的三變量函數，本文采用多目標控制變量法在不同頻率、交流磁通密度幅值acm、偏置磁場dc下進行多次重復實驗。結合磁致伸縮換能器在水聲和超聲頻段的應用場合，實驗測試的頻率設定為5～25kHz，交流磁通密度幅值設定為0.01～0.06T；隨著施加直流偏置磁場的增大和交流勵磁頻率的升高，由于互感等因素的影響使交流驅動磁場的增大明顯受到抑制，受限于現有測試設備的交流磁場數值上限，本文測試直流偏置磁場場強dc設定為1 000～5 000A/m。通過變直流偏置下Terfenol-D合金在不同頻率和磁通密度幅值acm下的動態磁特性曲線，提取磁特性參數。

3.1 變直流偏置磁場下的磁特性測試結果分析

根據搭建的實驗測試平臺，獲得Terfenol-D合金在激勵磁場頻率為15kHz、磁通密度幅值為0.05T時變直流偏置（0A/m，1 000A/m，3 000A/m，5 000A/m）下的動態磁滯回線，如圖4所示。

圖4 不同偏置磁場下的動態磁滯回線

圖4表明，當交流磁通密度幅值和激勵頻率一定時，隨著直流偏置磁場增加，動態磁滯回環發生上移與嚴重畸變，形狀出現不對稱，導致材料的磁滯回線發生明顯變化。這是由于磁致伸縮材料在直流磁場作用下由交、直流磁通疊加，導致電流波形正負半波不對稱，使材料的磁化工作點增大和相對磁導率發生變化而引起的。考慮到動態磁滯回線包圍的面積在數值上等于材料磁化一周的總損耗，由此可見直流偏置磁場對實驗樣品內部磁疇壁移動和磁疇轉動有明顯影響，因此，材料磁滯特性與損耗特性也必然發生變化。

材料的磁導率是表征電工材料動態磁特性的重要參數，圖5所示為Terfenol-D合金在激勵磁場頻率為15kHz，交流磁通密度幅值為0.05T時，振幅磁導率及實部、虛部磁導率隨直流偏置磁場的變化曲線。當直流偏置磁場強度從0A/m增加到5 000A/m，實驗樣品的振幅磁導率與虛部磁導率隨直流偏置磁場的增加而逐步減小，振幅磁導率由19.8減小到13.5，降低了31.8%，虛部磁導率由16.4減小到6.6，降低了59%，下降速率大于振幅磁導率的速率；實部磁導率呈現微小增長的趨勢，由11.1增加到11.8，升高了6.3%，這是由于施加偏置外磁場后增大磁疇轉向阻力造成的。

Terfenol-D合金的矯頑力代表著材料磁化過程中的不可逆程度，圖6所示為實驗樣品在激勵磁場頻率為15kHz、磁通密度幅值為0.05T時，矯頑力隨直流偏置磁場的變化曲線。當偏置磁場強度由0A/m增加到5 000A/m，矯頑力由1 629.7A/m減小至1 422.3A/m，降低了12.7%。當偏置磁場強度從0A/m到3 000A/m時，矯頑力減小速率逐漸變緩慢，當偏置磁場強度大于3 000A/m時，矯頑力減小速率激增，矯頑力減小。這是由于隨著偏置磁場的增加，使得實驗樣品工作點上移，處于線性區間，降低非線性磁滯特性同時使得材料內部各向異性疇壁移動方向趨于一致，從而使矯頑力降低。該現象表明偏置磁場對于材料矯頑力有降低作用，可使磁滯回線面積變小，磁能損耗降低，揭示了隨著偏置磁場增大材料不可逆磁化程度降低，抵抗退磁的能力變弱的規律，同時由于磁疇易磁化程度增大，對于磁場的響應速度增大，有利于材料輸出特性的提高。

圖5 振幅磁導率及實、虛部磁導率和直流偏置的關系

圖6 矯頑力隨偏置磁場的變化

圖7所示為Terfenol-D合金在激勵磁場頻率為15kHz、磁通密度幅值為0.05T時，磁能損耗隨偏置磁場變化的曲線。當偏置磁場由從0A/m增加到5 000A/m，高頻磁能損耗由503.74W/kg減小到419.022W/kg，降低了16.8%。根據磁致伸縮換能器的工作原理，Terfenol-D合金材料在交變電流作用下產生輸出位移，施加直流偏磁場后，倍頻現象消失，使實驗樣品工作區間線性化，磁能損耗減小。

圖7 磁能損耗隨直流偏置的變化

等效電感與等效電阻由實部磁導率和虛部磁導率計算，反映磁致伸縮材料樣品在激勵磁場中引起的感性與阻性。圖8與圖9分別為Terfenol-D合金在激勵磁場頻率為15kHz、磁通密度幅值為0.05T時，等效電阻和等效電感隨偏置磁場的變化曲線。可以發現隨著偏置磁場從0A/m增加到5 000A/m，等效電阻由989.9mW減少至398.9mW，降低了59.7%，等效電感由7.1mH增加到7.6mH，增加了7%。表明隨著直流偏置磁場的增加，實驗樣品在動態磁化過程中的磁能儲存量增加，能量損失量減小。

圖8 等效電感隨直流偏置的變化

損耗因數和品質因數是衡量材料磁性的重要指標，用來描述磁性材料在一個動態磁化周期下磁能損耗和存儲性能。圖10為Terfenol-D合金在激勵磁場頻率為15kHz、磁通密度幅值為0.05T時，介質損耗因數和品質因數隨直流偏置的變化曲線。可以發現，隨著直流偏置增加，介質損耗因數逐漸減小，品質因數逐漸增加，結果表明隨偏置磁場的增加，實驗樣品的高頻磁能損耗逐漸減小，提高了材料的儲能特性。

圖9 等效電阻隨直流偏置的變化

圖10 介質損耗因數和品質因數隨偏置磁場的變化

3.2 損耗模型中各項磁能損耗的計算分析

根據實驗測試的Terfenol-D樣品的損耗數據，提取模型的計算參數，結果見表1。

為滿足材料研究的需要以及考察各部分損耗在總損耗的比率，以便根據不同情況，采取相應的措施，降低和限制損耗，本文根據所提出的模型，采用多目標控制變量法分別繪制了不同直流偏置磁場dc、頻率和交流磁通密度幅值acm下的損耗分離圖，如圖11～圖15所示。

從圖11中可以看到，隨著偏置磁場的增大，總損耗呈現逐漸減小的趨勢，各項損耗也隨之減小。當偏置磁場由0A/m增加到5 000A/m時，總損耗由518.419W/kg減小到413.08W/kg，動態損耗值由283.64W/kg減小到269.243W/kg，占比由54.71%增加到65.12%，靜態損耗由234.776W/kg減小到143.833W/kg，占比由45.29%減小到34.82%。磁致伸縮材料在交流勵磁條件下會產生倍頻效應，使材料的輸出性能變差，電磁轉換效率變低，施加直流偏磁場后，倍頻現象消失，磁能損耗減小。

表1 磁能損耗計算模型參數識別

圖11 各項磁能損耗隨直流偏置磁場的變化

圖12 損耗隨偏置磁場Hdc和交流磁通密度幅值Bacm變化

圖13 各項損耗隨Bacm的變化占比

圖14 總損耗隨偏置磁場強度與交流磁化頻率變化趨勢

圖15 各分項損耗隨交流磁化頻率的變化

各項磁能損耗隨偏置磁場強度與交流磁通密度幅值的變化趨勢如圖12和圖13所示，由圖12結果表明，當acm和dc逐漸增大時，磁能損耗呈現隨著acm增大而增大的同時又隨著dc增大而減小的復雜的變化趨勢。圖13可以看出，當激勵頻率為25kHz，偏置磁場為dc=5 000A/m時，隨著交流磁通密度幅值acm由0.02T增加到0.06T，總損耗由153.37W/kg增加到1 242.272W/kg（8.105倍），靜態損耗由44.478W/kg增加到325.256W/kg（7.312倍），占比由68.98%增加到75.29%；動態損耗由108.891W/kg增加到917.016W/kg（8.421倍），占比由31.02%降低到24.71%。結果表明隨著磁通密度幅值的增大，總損耗呈現增大趨勢，各項分離損耗也隨之增大。這是由于當驅動磁場增大時，樣品材料中的磁疇轉動與疇壁移動速度加快，從而使磁能損耗不斷增加。

各項磁能損耗隨偏置磁場強度和交流磁化頻率的變化趨勢如圖14和圖15所示，由圖14可以看出磁能損耗同時隨著交流磁化頻率和偏置磁場發生變化。圖15表明頻率增大時，總損耗呈現增大趨勢，各項損耗也隨之增大。當交流磁通密度幅值為0.06T，偏置磁場為2 000A/m時，隨著交流磁化頻率由5kHz增加到25kHz時，總損耗由124.772W/kg到1 407.79W/kg（11.28倍），靜態損耗值由91.242W/kg增加到456.213W/kg（5倍），占比由73.18%降低到32.41%；動態損耗值由33.529W/kg增加到951.576W/kg（28.28倍），占比由26.82%增加到67.59%。這是由于當激勵磁場頻率在高頻以上階段時，高頻損耗將以磁疇進動或者共振方式出現，同時材料內部產生了垂直于磁通線的感應電流，該電流方向同外加磁場方向相反，使得材料內部的磁場減小為零，導致磁化過程中產生大量的熱，進而造成損耗增加。

3.3 磁能損耗計算模型的驗證

為了驗證本文所提出的考慮變直流偏磁的變系數高頻磁能損耗計算模型的準確性與可行性，計算了給定工作條件下（直流偏磁dc、頻率、磁通密度幅值acm的數值已知）磁致伸縮材料的高頻磁能損耗數值，并與實驗測量值進行對比分析。25kHz不同工況下的靜態、動態、總損耗的計算值和實測值的對比，見表2～表4。

表2 f =25kHz下靜態損耗結果對比

表3 f =25kHz下動態損耗結果對比

表4 f=25kHz下總損耗結果對比

為使對比結果更加清晰，本文采用多目標控制變量法繪制了不同直流偏置磁場強度dc、頻率和磁通密度幅值acm下的實驗結果與模型計算結果對比圖，如圖16～圖18所示。

圖16所示為在頻率為25kHz、直流偏磁分別為1 000A/m、3 000A/m、5 000A/m時，不同交流磁通密度幅值acm下，各項磁能損耗實驗結果和模型計算結果的誤差圖。當磁通密度幅值acm由0.02T增加到0.06T，偏磁磁場為5 000A/m時，考慮變直流偏置磁場的磁能損耗模型的靜態損耗、動態損耗、總損耗的最大誤差分別為6.94%、9.24%、6.64%，平均誤差分別為3.87%、5.93%、3.885%。

圖16 各項磁能損耗隨磁通密度的變化

圖17 各項磁能損耗隨偏置磁場的變化

圖18 各項磁能損耗隨頻率的變化

圖17所示為在交流磁通密度幅值acm為0.03T、頻率為5kHz、15kHz、25kHz時，不同直流偏置下，各項磁能損耗實驗結果和模型計算結果的對比圖。當磁通密度幅值為0.03T，激勵頻率為5kHz時，考慮偏置磁場的磁能損耗模型中靜態損耗、動態損耗、總損耗的最大誤差分別為5.28%、8.62%、6.52%，平均誤差分別為2.30%、5.41%、1.83%。當磁通密度幅值為0.03T，激勵頻率為25kHz時，考慮偏置磁場的磁能損耗模型的靜態損耗、動態損耗、總損耗的最大誤差分別為5.28%、6.40%、4.68%，平均誤差分別為2.30%、3.90%、2.40%。由此可以看出，考慮所提出的考慮直流偏置磁場的磁能損耗模型在激勵頻率為5～25kHz的范圍內都具有良好的精準性。

圖18為當直流偏置dc為3 000A/m、激勵磁密為0.02T、0.04T、0.06T時，各項磁能損耗實驗結果和模型計算結果的對比。當交流磁通密度幅值acm=0.04T，dc=3 000A/m時，考慮直流偏置磁場的磁能損耗模型動態損耗、靜態損耗、總損耗的最大誤差分別為1.43%、8.20%、4.80%，平均誤差分別為1.43%、5.02%、2.77%。結果表明所提出的模型在偏置磁場一定時，可以準確地預測不同頻率不同磁通密度下的磁能損耗。

4 結論

本文通過搭建變直流偏置磁場下的高頻磁特性測試平臺，測試了不同偏置磁場條件下Terfenol-D合金樣品在變激勵頻率和磁通密度幅值下的動態磁滯回線，建立了考慮直流偏磁影響的變系數高頻磁能損耗計算模型，主要結論如下：

1）在交流磁通密度幅值acm為0～0.06T、激勵頻率為5～25kHz的范圍內時，隨著直流偏置磁場強度dc從0A/m增加到5 000A/m時，動態磁滯回線發生上移和畸變，振幅磁導率逐步降低，矯頑力和損耗因子逐步減少。結果表明適當的直流偏置磁場可以消除磁致伸縮材料的倍頻效應，降低磁致伸縮材料高頻磁能損耗，有助于輸出特性的提高。

2）基于多元參數回歸分析的方法，提出一種改進的考慮變直流偏置磁場影響的高頻磁能損耗模型，用于計算直流偏磁激勵下Terfenol-D合金的損耗及各分量。該模型引入直流偏置磁場相關項對損耗系數進行修正，得到三變量（、acm、dc）損耗系數函數表達式，從而在原有的經典磁能損耗模型的基礎上建立了計及直流偏置磁場影響的變系數高頻損耗計算模型。實驗與計算對比結果表明所提出的模型可以準確預測不同直流偏磁下磁致伸縮材料的總損耗及各項損耗。

本研究可為超磁致伸縮器件考慮直流偏置下的高頻損耗預測、發熱分析以及結構優化設計提供重要的理論指導。

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Impact Analysis of DC Bias on High-Frequency Dynamic Loss and Magnetic Characteristics for Magnetostrictive Materials

1,21,21,21,23

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 3. School of Science Tianjin University of Commerce Tianjin 300130 China）

The DC bias magnetic field caninducedistortion and asymmetry of the hysteresis loops for magnetostrictive materials, which affects the loss values and hysteresis characteristics, and the existing magnetic energy loss models cannot accurately characterize and calculate the losses under variable DC bias magnetic fields. Therefore, it is necessary to investigate the influence and mathematical expression on the magnetic properties of magnetostrictive materials when DC bias is applied, which is of great significance to optimizing the output characteristics for high-power magnetostrictive devices. In this paper, under variable DC bias, the dynamic hysteresis loops of Terfenol-D samples at different excitation frequencies and peak magnetic density fluxes are investigated, and the variation law is found when the loss characteristics and hysteresis characteristics parameters are extracted from these hysteresis loops. Based on Bertotti's loss separation theory and measured data, the Levebverg-Marquard algorithm is induced to establish a calculation model for high-frequency losses of magnetostrictive materials under DC bias. This model uses a multiple- parameter regression method to correct the loss coefficients by introducing the DC bias-related terms. The accuracy of the proposed model is verified by comparing the calculated loss values with the experimental values under various working conditions.

Terfenol-D alloy, DC bias, high-frequency dynamic hysteresis, magnetic energy loss model

TM274

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211511

國家自然科學基金資助項目（51777053, 52077052, 52130710）。

2021-09-23

2021-10-14

黃文美 女，1969年生，博士，教授，研究方向為磁性材料與器件、電機電器及其控制。

E-mail: huzwm@hebut.edu.cn（通信作者）

郭萍萍 女，1990年生，博士研究生，研究方向為磁性材料與器件、電機電器及控制。

E-mail: guopingpinghebut@163.com

（編輯 郭麗軍）