当对磁性材料施加一个磁场时，磁致伸缩效应会使材料发生变形。具有这种性能的材料被用在扬声器到执行器的各类器件中。为了对这类器件进行分析， ETREMA Products 公司的研究人员使用 COMSOL Multiphysics 对一种磁致伸缩传感器进行了单物理场和多物理场仿真研究。这篇博客，我们来看看该团队是如何使用 COMSOL 软件灵活的功能研究这种器件的方方面面，并对其整体设计进行优化的。
磁致伸缩简介
磁致伸缩效应很常见。你可能“听到”过这种效应的作用。对变压器或其他高功率电气设备发出的嗡嗡声熟悉吗？这种磁嗡嗡声的根源就是磁致伸缩效应。
为了更好地理解磁致伸缩效应，我们先详细了解一下磁致伸缩材料。当暴露在磁场中时，磁致伸缩材料内部的微小椭圆型磁畴会重新排列，如下图所示。这种新取向会产生一个宏观应变，使固体材料伸展或收缩。因此，我们就可以利用磁致伸缩效应将磁能转化为动能。磁致伸缩也存在反效应，即对磁致伸缩材料施加应力可以改变材料的磁性状态。
一个演示磁致伸缩效应的动画。
使用仿真分析磁致伸缩材料
ETREMA Products 公司的工程师们在研究磁致伸缩材料方面有着丰富的经验。他们利用具有磁致伸缩特性的智能材料，设计出了传感器、扬声器、执行器和声呐组件等高精度器件。智能材料会以不同的方式对外部激励作出响应，因此可基于不同用途和使用场景对其进行设计。磁致伸缩材料是一种特殊类型的智能材料，它们通过改变自身形状对磁场做出响应。
一个磁致伸缩式换能器。版权所有 © ETREMA。
Terfenol-D 是一种磁致伸缩材料，由 ETREMA 公司独家制造。Terfenol-D 材料最早在 20 世纪 70 年代由美国海军开发，它对施加磁场产生的响应变形是所有合金中最大的。这种材料已经被 ETREMA 证明是设计磁致伸缩换能器的强大资源。然而，由于磁致伸缩材料的非线性以及它们对磁场变化的力学响应，设计这些器件可能相当具有挑战性。为了应对这种挑战， ETREMA 团队使用多物理场仿真开发了包括多个组件、自定义材料和多种物理场的精确模型。
他们的仿真研究包含两个步骤。第一步是进行单一物理场分析，目标是对设计进行有针对性的分析，使工程师们能够明确地评估特定的物理场。第二步是进行多物理场耦合分析，希望通过研究设计的整体功能来了解其在真实应用场景中是如何工作的。
优化磁致伸缩式换能器
让我们来看一个紧密排列的声呐声源阵列设计示例，它的内核是一个磁致伸缩换能器。为了优化这个器件，研究人员需要研究它的各种材料特性，以及电、磁和结构等物理场之间的相互作用。
紧密排列的声呐阵列组件图片。左图：磁致伸缩换能器。中间：换能器和电力电子设备。右图：完整的阵列。版权所有 © ETREMA。
研究开始时，该团队建立了一个单物理场模型来研究材料的变形。研究开始时，他们通过对模型施加静态载荷来估计疲劳，用于预测 Terfenol-D 内核和预应力螺栓将如何对系统应变作出响应。在这种配置下，载荷使换能器发生了严重的弯曲。然而，进一步的载荷分析和结构优化研究，帮助减少了换能器设计的变形和应力。
初始换能器设计的应变（左）和结构优化后的应变（右）。版权所有 © ETREMA。
另一个仿真研究是对这个器件的磁场进行分析。在开发磁致伸缩传感器时，工程师团队在设计中加入了永磁铁。虽然这样他们可以对材料进行磁性偏执，允许其进行双向运动并尽量减少非线性行为和倍频效应的影响，但也产生了一些负面影响。例如，离换能器电子元件太近的杂散磁场，会导致噪声问题和信号损坏。为了避免这种情况，团队对直流和交流磁场进行了单独的研究，同时也对磁路和重要电气元件的设计和布置进行了评估。
该团队的仿真结果表明，设计方案中的主磁通被束缚于磁性元件中，从而降低了电子元件在磁场中的暴露。这些研究结果，对于需要在直流和交流磁场共同作用下工作的磁致伸缩换能器的开发是有启发意义的。
在单物理场模型的基础上，ETREMA 的工程师们使用多物理场模型对设计进行了验证。这一步非常重要，因为换能器技术的重点是模拟涉及多个物理场的磁致伸缩材料，。求解这类模型需要首先建立一个包含应变与应力和磁场函数的耦合方程。
工程师使用这个多物理场耦合模型来研究该器件的变形，其中涉及机械应力、磁场以及整体机电特性。通过这些仿真研究，他们可以对该设计在真实场景中的性能进行更准确的预测。
多物理场耦合仿真结果显示，线圈中电流为 1A 时的磁场分布，以及使用最大电流输入电流造成的变形。版权所有 © ETREMA。
通过建立多物理场耦合的线性磁致伸缩模型，该团队发现他们设计的器件性能基本符合预期，只需要做少量调整。此外，他们还观察到，磁场仍然被束缚在磁路中，变形仍然很小。这些发现后来也得到了实验数据的验证。
文中介绍的仿真研究展示了 COMSOL Multiphysics 软件的灵活性，以及如何使用软件分析器件设计的方方面面。通过建立单物理场和多物理场模型，ETREMA 公司的工程师能够开发、分析和优化传感器设计。仿真研究也提高了他们对传感器和传感器设计的认识，推动该领域的进一步发展。
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