CN116213230B - 一种铁氧体磁致伸缩换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铁氧体磁致伸缩换能器，适用于超声换能器领域，包括：前盖板，为外壳；后盖板，所述后盖板在另一头与前盖板通过圆柱销定位连接；波导杆，与上磁轭连接，并穿过前盖板；换能器内部还有弹簧、铁氧体棒、上磁轭、下磁轭、导磁套、两个圆片永磁铁和线圈；两个圆片永磁铁与铁氧体棒呈堆叠放置，且圆片永磁铁位于两端；线圈，为交流线圈和直流线圈，通过线圈骨架，分别围绕在铁氧体棒和永磁铁的外围；上磁轭、下磁轭和导磁套、波导杆通过螺钉固定，且与永磁铁接触；预紧螺钉，与后盖板连接和配合，并与圆形配合块接触。本发明将直流线圈和永磁铁的结合来调控偏置磁场的大小；利用预紧螺钉和后盖板的配合来施加连续可调的预应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁氧体磁致伸缩换能器及可调预应力和偏置磁场方法，属于超声换能器领域。
背景技术
换能器是一种实现能量信息转换的器件，当驱动电源频率为20kHz以上的电磁场时，磁致伸缩材料可用于制造超声换能器，发射式超声换能器将电磁能转换为机械能，接收式超声换能器将机械能转换为电磁能。由于超声波能够传递更多的信息和能量，超声换能器多用于化工化学反应加速、石油井波动采油、垃圾脱硫再生、矿井开发及超声通信等领域。
铁氧体材料相比当前热门研究的稀土材料具有电阻率高、涡流损耗小、磁导率高，矫顽力小和磁机电耦合系数高的优点，是高频超声换能器制作的理想材料，在超声领域应用广泛。
在实际应用中，铁氧体磁致伸缩材料的振动性能与材料的状态密切相关，即在不同的机械预应力下有不同的输出性能。预应力过小时，材料不能达到最优输出性能，预应力过大时，在一定交变磁场下，会降低磁致伸缩棒的伸缩系数。因此，在实际应用过程中，需要给磁致伸缩棒加上合适的预应力，使其能够在一定的交变磁场作用下达到更大的输出。由于磁致伸缩棒受压强度比受拉强度高，施加一定的预应力还可保护材料不受损坏。
磁致伸缩换能器的偏置磁场是超声波发射和接收的关键影响因素之一，对选择提高磁声换能效率、消除倍频效应和改善信噪比具有极其重要的作用。压磁系数表征了磁致伸缩的换能效率，当压磁系数达到最大时，换能效率达到了最大，此时更多的磁能转化为机械能。因此，为了保证换能器的能量转换效率，偏置磁场的大小选择，应该在压磁系数最大值对应的磁场强度附近。
目前，研制磁致伸缩换能器过程中，存在以下技术缺点：
在施加预应力方面，根据王博文等人的研究，使用钢带通过螺栓对磁致伸缩棒施加预应力时，会影响整个换能器的附加刚度，且影响到整个磁路结构的稳定性。使用碟簧等对换能器施加预应力时，刚度降低，可增加温度变化时的预应力稳定性，但对于多棒的磁路则难以保持预应力的一致性。而对于预应力块施加预应力的方式，则存在装配过程中容易一次性损坏内部磁致伸缩材料的问题。另外，有些预应力装置还存在声波损失、驱动元件左右晃动不稳等问题。
在调控偏置磁场方面，现有技术中，静态偏置磁场的设计一般有两种结构形式，分别为直流线圈结构偏置磁场和永磁体结构偏置磁场。通电直流线圈提供偏置磁场，这种方式产生的偏置磁场优点为磁场均匀，而且通过改变通电电流的大小就可以调节偏置磁场大小，适应范围较广泛，可以达到所需要求的最佳磁偏置。但过多匝数的线圈会使换能器出现热损耗，降低其工作性能。永磁体结构偏置磁场是通过磁致伸缩棒上下端加入永磁体来提供偏置磁场，这样避免在器件中使用电源，减少了电流中的热损耗，但这种结构方式会造成磁路中的偏置磁场不均匀，也会造成换能器输出位移过程中机械密度的精度降低，输出位移变小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种热损耗小且偏置磁场均匀的磁致伸缩换能器。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种铁氧体磁致伸缩换能器，包括：前盖板，为外壳；后盖板，所述后盖板在另一头与前盖板通过圆柱销定位连接；波导杆，与上磁轭通过螺纹孔连接，并穿过通孔与前盖板接触；换能器内部还有弹簧、铁氧体棒、上磁轭、下磁轭、导磁套、两个圆片永磁铁和线圈；两个圆片永磁铁与铁氧体棒呈堆叠放置，且圆片永磁铁位于两端；线圈，为交流线圈和直流线圈，分别围绕在铁氧体棒和永磁铁的外围；上磁轭、下磁轭和导磁套、波导杆通过螺钉固定，且与永磁铁接触；预紧螺钉，与后盖板连接和配合，并与圆形配合块接触。
预应力装置包括：预紧螺钉、后盖板、圆形配合块、第一圆柱销、第二圆柱销和前盖板。其中，预紧螺钉与后盖板的螺纹孔径在8mm-12mm，具体应用时根据强度条件校核；后盖板、圆形配合块、预紧螺钉均采用不锈钢材料；圆形配合块的尺寸根据实际应用时换能器的尺寸改变。实施形式中，旋动预紧螺钉，带动与其接触的圆形配合块向内滑动，使与后盖板紧密接触的圆形配合块之间的距离变大；通过圆柱销固定后盖板位置，由于后盖板和圆形配合块之间的距离变大，向铁氧体磁致伸缩材料传递对应大小的预应力；预应力装置给铁氧体磁致伸缩材料施加一定的预应力后，可继续完成换能器后面预紧螺钉的固定措施。调试过程中，需要根据具体材料及应用的情况施加合适大小的预应力，通过传感器读数或振动测试验证换能器输出已达到最佳范围。
调控偏置磁场的装置包括：上永磁铁、下永磁铁和直流线圈。其中，直流线圈是在交流线圈外层包裹的缠绕方法；导磁套、前盖板上具有用以穿过给线圈供电的线圈导线通孔，线圈导线与固定在前盖板外侧的接线柱连接，外部的线圈通过接线柱的形式，为换能器提供电能。实施形式中，在已知剩余磁通密度的永磁铁条件下，外部的线圈以接线柱的形式与内部的直流线圈通电；通过改变外部的输入电流大小，向铁氧体磁致伸缩材料提供相应大小的偏置磁场。
本发明的有益效果在于：
1、铁氧体磁致伸缩材料相比当前热门研究的稀土材料具有电阻率高、磁导率高，矫顽力小和磁机电耦合系数高的优点，这种材料制作的超声换能器，在工作时可以极大地抑制涡流效应，减少热损耗，提高能量利用率。
2、预应力装置通过预紧螺钉与后盖板中通孔的螺纹之间的相互配合，以及圆形配合块可在后盖板的凹槽内上下自由活动，来对换能器磁致伸缩材料施加预应力。有效的解决了使用碟簧、预应力块等来施加预应力的方法在对换能器施加一定的预应力后即无法反复调整预应力大小，且易在预应力施加过程中损坏磁致伸缩材料的问题。进一步的，圆形配合块使用不锈钢材料，与后盖板始终紧密接触形成闭合配重，可以有效抑制声波的能量损失。后盖板内的下沉式凹槽与下磁轭接触，可使驱动元件在纵向上灵活振动产生声波能量，避免了驱动元件的左右摇摆不稳定状态。使用该种形式的预应力装置，可对换能器的磁致伸缩材料施加连续、可调且大小足够的预应力，且通过改变形状和尺寸，此种预应力装置也可以适合其他不同形式换能器的预应力的施加。
3、偏置磁场调控是通过永磁铁与直流线圈的结合实现，充分利用各自优势，补足缺点。在已知剩余磁通密度的永磁铁条件下，调节直流线圈内电流的大小，可调控偏置磁场的大小，从而找到最佳的偏置磁场。单凭永磁铁提供的磁场在磁致伸缩棒内分布不太均匀，再添加直流线圈后，可使磁致伸缩棒在均匀磁场下振动，工作性能变好。而且，这种方法会有效地减少直流线圈的匝数，减少热量的产生。
附图说明
图1是铁氧体磁致伸缩换能器整体示意图；
图2是铁氧体磁致伸缩换能器加预应力后的示意图；
图3是铁氧体磁致伸缩换能器进行偏置磁场调控的示意图。
其中：1为波导杆、2为弹簧、3为上永磁铁、4为铁氧体磁致伸缩棒、5为线圈、6为第一圆柱销、7为下永磁铁、8为后盖板、9为圆形配合块、10为预紧螺钉、11为塑料套筒、12为第二圆柱销、13为下磁轭、14为导磁套、15为上磁轭、16为前盖板、17为接线柱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1-图2共同所示，铁氧体磁致伸缩换能器包括：波导杆1、弹簧2、上永磁铁3、下永磁铁7、铁氧体磁致伸缩棒4、线圈5、圆柱销、后盖板8、圆形配合块9、预紧螺钉10、塑料套筒11、下磁轭13、导磁套14、上磁轭15和前盖板16。
其中，前盖板16为外壳，呈筒体状，例如方筒状。导磁套14和上磁轭15都具有螺纹孔，例如沿圆周设置一圈螺纹孔，预紧螺栓穿过螺纹孔将导磁套14和上磁轭15固定。导磁套14和下磁轭13的固定方法，亦是如此。波导杆1下端面具有螺纹孔，上磁轭15上端面中央设有螺纹孔，通过螺纹拧紧把波导杆1和上磁轭15固定，并穿过通孔与前盖板16接触。后盖板8中部有下沉式凹槽，通过下沉式凹槽与下磁轭13接触。后盖板8两侧设有通孔，使用圆柱销与前盖板16固定，用于换能器结构的定位。
上永磁铁3和下永磁铁7为圆片永磁铁，两个圆片永磁铁与铁氧体棒4呈堆叠放置，且圆片永磁铁3和7位于铁氧体棒4两端；线圈5包括交流线圈和直流线圈，通过线圈骨架分别围绕在铁氧体棒4和永磁铁3和7的外围。上磁轭15和下磁轭13通过螺钉分别与导磁套14和波导杆1固定。上磁轭15和下磁轭13分别与永磁铁4和7接触；预紧螺钉10与后盖板8连接和配合，并与圆形配合块9接触。
驱动元件包括：铁氧体磁致伸缩棒4、永磁铁3和7、磁轭14和15、导磁套14、线圈5、塑料套筒11。
如图2所示，预应力装置包括：预紧螺钉10、后盖板8、圆形配合块9、第一圆柱销6、第二圆柱销12和前盖板16。旋动预紧螺钉10，带动与其接触的圆形配合块9向内滑动，使与后盖板8紧密接触的圆形配合块9之间的距离变大。通过圆柱销固定后盖板8位置，由于后盖板8和圆形配合块9之间的距离变大，向铁氧体磁致伸缩材料传递对应大小的预应力。预应力装置给铁氧体磁致伸缩材料施加一定的预应力后，可继续完成换能器后面预紧螺钉10的固定措施。
预紧螺钉10与后盖板8的螺纹孔径在8mm-12mm，具体应用时根据强度条件校核；所述后盖板8、圆形配合块9、预紧螺钉10均采用不锈钢材料。
预紧螺钉10通过预应力装置向驱动元件中的铁氧体磁致伸缩棒4施加足够大小的预应力后，驱动元件中的各段铁氧体磁致伸缩棒4在线圈5中的交流线圈产生的交变磁场作用下，做纵向伸缩运动，带动与其连接的波导杆1向四周辐射声波。
永磁铁分别位于铁氧体磁致伸缩棒4的两头，为铁氧体磁致伸缩棒4提供一定的偏置磁场，线圈骨架塑料套筒11环绕铁氧体磁致伸缩棒4，为缠绕在塑料套筒11上的线圈5提供支撑，提供均匀的交变磁场以驱动铁氧体磁致伸缩棒4，整个驱动元件的磁轭和导磁套14，形成闭合磁回路。
如图3所示，偏置磁场调控设置到的部件包括：上永磁铁3、下永磁铁7和直流线圈5。其中，交流线圈缠绕在作为线圈骨架的塑料套筒11上，然后直流线圈再缠绕在交流线圈上；导磁套14、前盖板16上具有用以穿过给线圈供电的线圈导线通孔，线圈导线与固定在前盖板外侧的接线柱17连接，外部的线圈通过接线柱17为换能器提供电能。在已知剩余磁通密度的永磁铁条件下，外部的线圈通过接线柱17与内部的直流线圈5通电；通过改变外部的输入电流大小，向铁氧体磁致伸缩棒4提供相应大小的偏置磁场。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，包括：波导杆、弹簧、上永磁铁、铁氧体磁致伸缩棒、线圈、第一圆柱销、下永磁铁、后盖板、圆形配合块、预紧螺钉、塑料套筒、第二圆柱销、下磁轭、导磁套、上磁轭、前盖板和接线柱；
前盖板，为外壳；后盖板与前盖板通过圆柱销定位连接；波导杆与上磁轭通过螺纹孔连接，并穿过通孔与前盖板接触；上永磁铁与下永磁铁为圆片状；线圈包括交流线圈和直流线圈，围绕在铁氧体磁致伸缩棒、上永磁铁与下永磁铁的外围的塑料套筒上；上永磁铁的轴向上端设置上磁轭，下永磁铁的轴向下端设置下磁轭，线圈的径向外侧套设有导磁套；上磁轭和下磁轭通过螺钉分别与导磁套和波导杆固定；上磁轭与上永磁铁接触，下磁轭与下永磁铁接触；预紧螺钉与后盖板连接和配合，并与圆形配合块接触；
实现连续可调预应力的装置包括：预紧螺钉、后盖板、圆形配合块、第一圆柱销、第二圆柱和前盖板；后盖板与前盖板通过第一圆柱销和第二圆柱销定位连接；预紧螺钉与后盖板以螺纹方式连接；后盖板上端面开了一个下沉的圆孔凹槽，圆形配合块可在后盖板的圆孔凹槽内上下自由活动；
实现连续可调偏置磁场的装置包括：上永磁铁、下永磁铁和直流线圈；上永磁铁、铁氧体磁致伸缩棒和下永磁铁呈堆叠放置，且上永磁铁和下永磁铁位于铁氧体磁致伸缩棒两端；交流线圈缠绕在塑料套筒上，直流线圈再缠绕在交流线圈上；导磁套、前盖板上具有用以穿过给线圈供电的线圈导线通孔，线圈导线与固定在前盖板外侧的接线柱连接，外部的线圈通过接线柱为换能器提供电能。
2.根据权利要求1所述的铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，上、下磁轭和导磁套均采用导磁材料坡莫合金；波导杆和前盖板均采用硬铝材料。
3.根据权利要求1所述的铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，预紧螺钉与后盖板的螺纹孔径范围为8mm-12mm。
4.根据权利要求1所述的铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，后盖板、圆形配合块和预紧螺钉均采用不锈钢材料。
5.根据权利要求1所述的铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，实现连续可调预应力的具体过程为：
通过旋动预紧螺钉带动与其接触的圆形配合块向内滑动，使预紧螺钉与后盖板紧密接触的圆形配合块之间的距离变大；由于圆柱销固定了后盖板位置，因此后盖板和圆形配合块之间的距离也随之变大，向铁氧体磁致伸缩棒传递因后盖板和圆形配合块之间的距离大小对应产生相应大小的预应力。
6.根据权利要求1所述的铁氧体磁致伸缩换能器，其特征在于，实现连续可调偏置磁场的具体过程为：
在已知剩余磁通密度的永磁铁条件下，外部通过接线柱向直流线圈通电；通过改变外部的输入电流大小，向铁氧体磁致伸缩棒提供相应大小的偏置磁场。
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