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稀土超磁致伸縮材料（Terfenol-D）是一種在磁場作用下能夠產生大應變的新型功能材料。以此材料為核心元件的超磁致伸縮換能器（Giant Magneto- strictive Transducer, GMT）具有輸出功率大、響應速度快、機磁耦合系數高等優點，廣泛應用于水下電聲換能器、精密加工、超聲無損檢測等領域。

大功率超磁致伸縮換能器在工作過程中輸入的電能除了轉化為機械能外，還會產生大量的熱損耗，導致換能器各部件特別是超磁致伸縮棒溫度快速升高。由于超磁致伸縮材料不僅具有較大的熱膨脹系數，而且材料參數對外界溫度非常敏感，導致換能器的輸出特性與溫度密切相關。

為確保超磁致伸縮換能器在適合的溫度范圍內穩定工作，需要對換能器各部件的溫度進行準確分析和監測。嵌入式溫度傳感器是常用的溫度監測手段，然而在工程應用中存在很多問題。例如，換能器組裝灌封后，傳感器難以取出；深水工作的電聲換能器，無法遠距離監測。因此對換能器溫度場的準確建模與估計是解決換能器熱問題的關鍵。

對超磁致伸縮換能器溫度場的建模方法主要有熱網絡法和數值分析法。有限元法是最常用的數值分析方法，有限元法的優點在于可以對復雜結構進行熱建模，但是模型越復雜，對網格劃分和邊界條件設置的要求也越高，計算時間越長。等效熱網絡法則憑借數學形式簡單、計算速度快等優勢，被廣泛應用于熱動態分析。

目前熱網絡模型在解決電機的熱限制問題中發揮著巨大的作用，目前用于電機設計的熱網絡模型已接近成熟，但是針對換能器的熱網絡模型普遍只考慮穩態，而忽略了超磁致伸縮棒作為熱源的特殊性，以及溫升過程中由于棒材導熱能力差而存在的明顯的溫度梯度問題。

湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心的研究人員張智賀、楊鑫、陳鈺凱，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文指出，“超磁致伸縮換能器的工作特性與溫度密切相關，快速準確地對換能器溫度分布進行分析計算與預測是換能器設計與性能評估的關鍵。憑借仿真速度快、準確性高等顯著優勢，熱網絡建模廣泛用于換能器熱分析，但多聚焦于穩態建模研究，忽略超磁致伸縮棒由于熱導率低所導致的明顯的瞬態溫度梯度。”

圖1 換能器完整熱網絡模型

針對以上問題，團隊以縱振式超磁致伸縮換能器為研究對象，計及超磁致伸縮棒作為熱源的特殊性和棒材溫度空間分布的影響，創建了超磁致伸縮換能器等效熱網絡瞬態模型，并用有限元模型和實驗驗證了模型的準確性。

圖2 換能器溫升試驗測量平臺

他們首先基于縱振式超磁致伸縮換能器結構和工作原理，對換能器進行了熱分析；然后根據換能器內部傳熱過程，建立了完整的換能器瞬態熱網絡模型，并對模型參數進行計算；最后搭建有限元仿真模型和換能器溫升實驗平臺，從仿真和實驗兩方面驗證了所提熱網絡模型對換能器溫度時空分析的準確性和有效性。

研究人員同時也提出了熱網絡模型中存在的問題，如沒有考慮損耗分布、沒有利用實驗數據對換能器損耗進行準確建模等，進一步還需要對熱網絡模型進行修正和優化，使仿真結果更加準確。

本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“稀土超磁致伸縮換能器等效熱網絡建模研究”。