稀土超磁致伸缩材料（Terfenol-D）是一种在磁场作用下能够产生大应变的新型功能材料。以此材料为核心元件的超磁致伸缩换能器（Giant Magneto- strictive Transducer, GMT）具有输出功率大、响应速度快、机磁耦合系数高等优点，广泛应用于水下电声换能器、精密加工、超声无损检测等领域。

大功率超磁致伸缩换能器在工作过程中输入的电能除了转化为机械能外，还会产生大量的热损耗，导致换能器各部件特别是超磁致伸缩棒温度快速升高。由于超磁致伸缩材料不仅具有较大的热膨胀系数，而且材料参数对外界温度非常敏感，导致换能器的输出特性与温度密切相关。

为确保超磁致伸缩换能器在适合的温度范围内稳定工作，需要对换能器各部件的温度进行准确分析和监测。嵌入式温度传感器是常用的温度监测手段，然而在工程应用中存在很多问题。例如，换能器组装灌封后，传感器难以取出；深水工作的电声换能器，无法远距离监测。因此对换能器温度场的准确建模与估计是解决换能器热问题的关键。

对超磁致伸缩换能器温度场的建模方法主要有热网络法和数值分析法。有限元法是最常用的数值分析方法，有限元法的优点在于可以对复杂结构进行热建模，但是模型越复杂，对网格划分和边界条件设置的要求也越高，计算时间越长。等效热网络法则凭借数学形式简单、计算速度快等优势，被广泛应用于热动态分析。

目前热网络模型在解决电机的热限制问题中发挥着巨大的作用，目前用于电机设计的热网络模型已接近成熟，但是针对换能器的热网络模型普遍只考虑稳态，而忽略了超磁致伸缩棒作为热源的特殊性，以及温升过程中由于棒材导热能力差而存在的明显的温度梯度问题。

湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心的研究人员张智贺、杨鑫、陈钰凯，在2022年第14期《电工技术学报》上撰文指出，“超磁致伸缩换能器的工作特性与温度密切相关，快速准确地对换能器温度分布进行分析计算与预测是换能器设计与性能评估的关键。凭借仿真速度快、准确性高等显著优势，热网络建模广泛用于换能器热分析，但多聚焦于稳态建模研究，忽略超磁致伸缩棒由于热导率低所导致的明显的瞬态温度梯度。”

图1 换能器完整热网络模型

针对以上问题，团队以纵振式超磁致伸缩换能器为研究对象，计及超磁致伸缩棒作为热源的特殊性和棒材温度空间分布的影响，创建了超磁致伸缩换能器等效热网络瞬态模型，并用有限元模型和实验验证了模型的准确性。

图2 换能器温升试验测量平台

他们首先基于纵振式超磁致伸缩换能器结构和工作原理，对换能器进行了热分析；然后根据换能器内部传热过程，建立了完整的换能器瞬态热网络模型，并对模型参数进行计算；最后搭建有限元仿真模型和换能器温升实验平台，从仿真和实验两方面验证了所提热网络模型对换能器温度时空分析的准确性和有效性。

研究人员同时也提出了热网络模型中存在的问题，如没有考虑损耗分布、没有利用实验数据对换能器损耗进行准确建模等，进一步还需要对热网络模型进行修正和优化，使仿真结果更加准确。

本文编自2022年第14期《电工技术学报》，论文标题为“稀土超磁致伸缩换能器等效热网络建模研究”。