超磁致伸缩材料TbDyFe合金被认为是制作大功率、高频磁致伸缩换能器核心驱动元件的理想材料，它具有能量密度高（约25kJ/m3）、响应速度快（μs级）、控制精度和位移分辨率高等优点，可广泛应用在超声清洗、超声加工、金属探伤、海底探测、脱硫和医疗器械等领域。由于TbDyFe合金具有温度敏感特性，研究变温条件下TbDyFe合金的高频磁特性及损耗特性，为高频换能器的温控系统设计提供数据和理论支持，对于设计高频范围的磁致伸缩器件至关重要。

有学者指出在磁有序晶体中，温度的改变会引起磁有序状态和磁体内易磁化轴的变化，当材料处于磁化状态时，其磁矩方向受热运动影响很大，而呈现Brown转动的特点。有学者研究了温度对TbDyFe合金饱和磁化强度、磁致伸缩应变及杨氏模量的作用，证明了温度是磁特性研究不可忽略的因素，但是尚未就温度对损耗特性的影响进行测试分析。

有学者通过对动态磁滞模型的研究发现，磁性材料中动态损耗的物理来源是平均再磁化速度，并基于磁通密度的加权时间导数提出了一种任意形状励磁电流下磁性材料的损耗计算方法。有学者基于TbDyFe合金的高频动态磁滞回线及损耗测试数据，探究了各项损耗系数随频率和磁通密度幅值的变化趋势，但忽略了温度对TbDyFe合金磁特性的作用。

在此基础上，河北工业大学科研人员重点研究温度这一因素对TbDyFe合金高频磁能损耗的影响。

在经典的损耗分离模型中，损耗是关于磁化频率f和磁通密度幅值Bm的二元函数，在固定的磁化条件下，无论环境温度是多少，损耗模型的计算结果都不会发生变化，这与实验结果明显不符。

针对上述问题，河北工业大学科研人员搭建温度可控的高频磁特性测试系统，选用方形薄片样品来研究磁致伸缩材料的温度敏感特性。由于样品尺寸较小，且放在恒温箱中控制温度的变化，材料表面与内部的温差可以忽略不计，可看作是处于一个温度恒定且分布均匀的环境中，所以本实验中所给定的环境温度就是样品的工作温度。

图1 动态磁特性测试系统原理

通过实验研究有限个均匀分布的温度条件下TbDyFe合金在不同频率f和磁通密度幅值Bm下的动态磁特性曲线，从中提取磁特性参数。建立一种基于Bertotti损耗分离理论，且面向工程应用的变温条件下材料的损耗计算模型。

该模型基于损耗分离三项式引入温度有关项对损耗系数进行修正，并且综合考虑高频磁滞特性和趋肤效应的影响，引入了损耗附加磁通密度项及损耗附加频率项实现准确计算，根据实验结果进行计算，确定了损耗系数的变化规律，从而实现了考虑温度效应的改进损耗计算。通过对比多组损耗的实验测量值（频率范围为1～20kHz，磁通密度幅值范围为0.01～0.07T，温度范围为10～80℃）及模型计算值，验证了本研究所提的变温条件下TbDyFe合金高频磁能损耗计算模型的准确性和可行性。

图2 实验测试平台

科研人员提出的主要研究结论如下：

1）当磁通密度幅值Bm≤0.07T、频率f ≤20kHz时，随着环境温度从10℃增加到80℃，动态磁滞回线横向变窄，振幅磁导率逐步增加，矫顽力和磁能损耗逐步减少。

2）提出一种计及温度变化的磁致伸缩材料的高频磁能损耗计算模型。模型通过引入温度有关项对损耗系数进行修正；并且综合考虑了高频磁滞特性和趋肤效应的影响，引入了损耗附加磁通密度项及损耗附加频率项，从而建立了可以有效考虑温度效应的变系数高频磁能损耗计算模型。

他们最后表示，本研究结果面向实际工程应用，可为磁致伸缩材料在实际工作中的高频损耗预测、温控系统设计及产品优化提供数据支持和理论支撑。

本文编自2022年第1期《电工技术学报》，论文标题为“变温条件下TbDyFe合金高频磁特性和损耗特性分析”，作者为黄文美、夏志玉 等。