CN101350570B - 无线圈式磁力控制器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线圈式磁力控制器件，属于属于电工器件领域。本发明包括为压电材料(1、3)，磁致伸缩材料(2)，永磁铁(4)，铁轭(5、6)，其中1、2、3构成的具有压电材料—磁致伸缩材料—压电材料的多层复合磁电材料具有空间三明治层状结构，两个铁轭分别连接永磁铁和多层复合磁电材料的同一极。本发明通过改变复合磁电材料所在磁回路中的磁通量，达到改变可移动铁轭所受磁场作用力的大小，实现电压控制磁力的功能。该器件与传统的基于线圈的磁力控制器相比，具有热损耗能量小，转换效率高，恒力输出不消耗能量，不同控制频率下，电压-磁力控制具有非常好的线性关系等诸多优点。

Description

无线圈式磁力控制器件
技术领域
本发明涉及用一种新型的由压电单晶材料与高性能磁致伸缩材料制备的复合磁电材料结合永磁铁和铁轭实现电压控制磁力功能的新型无线圈磁力控制器件，属于电工器件领域。
背景技术
磁力控制器件是机电控制领域的一个重要分支。电动机就是最典型的、应用最广泛的磁力控制器件。但是以电动机为代表的线圈式磁力控制器件具有电阻特性，即在将电能转化为机械能的同时，由于有内阻的线圈中有电流通过，必然一部分电能转化为热能，在器件长时间工作的状态下，电—力转化效率不高；要维持一个恒定力的输出，线圈式的磁力控制器必须通入静态电流，电能浪费严重；不同频率响应特性不同。
本发明的目的是针对线圈式磁力控制器件的一些缺点，提供一种热损耗能量小，转换效率高；恒力输出不消耗能量；不同控制频率下电压—磁力控制线性关系好的新型无线圈式磁力控制器件。
发明内容
本发明的器件结构图由图3示出，1、3为压电材料，2为磁致伸缩材料，4为永磁铁，5、6为铁轭，
其中主要构成为三部分，其一为1、2、3构成的具有压电材料—磁致伸缩材料，其二为永磁铁4，其三为用于连通磁回路的铁轭5和6。
其中，1、2、3构成的具有压电材料—磁致伸缩材料—压电材料的多层复合磁电材料具有空间三明治层状结构，两个铁轭分别连接永磁铁和多层复合磁电材料的同一极。
多层片状压电材料和磁致伸缩材料层叠制备的高性能复合磁电材料，具有压电材料—磁致伸缩材料—压电材料的空间层状结构，由图1示出，其中1为压电材料，2为磁致伸缩材料，3为压电材料，4和5为正电极，6为接地电极。上下两层压电材料1和3分别朝上和朝下极化；三层材料之间用导电胶粘接，实现机械耦合；从上下两层压电材料的外表面引出共同的正向电极4和5；从中间层的磁致伸缩材料引出接地电极6。
同向电极与接地电极之间接入一定大小的电压，压电材料会有一定大小的输出位移量，由于压电材料和磁致伸缩材料机械耦合在一起，磁致伸缩材料依据反磁致伸缩效应，会相应的改变磁致伸缩材料所处空间的磁感应强度。通过压电材料和磁致伸缩材料间的电—弹—磁耦合，可以比较精确的实现电压量对空间磁感应强度量的控制。
永磁铁和铁轭分别针对器件不同的规格定制而成，形状如图2所示。
该器件工作原理为：复合磁电材料串联在永磁铁和铁轭构成的多条磁回路中的一条磁回路里，在图3中由上部的回路8表示，设回路8中的磁通量大小为Φ1。可移动铁轭串联在永磁铁和铁轭构成的多条磁回路中的一条磁回路里，在图3中由下部的回路9表示，设回路9中的磁通量大小为Φ2。依据所有磁回路的总磁通量在器件中守恒的规律，即Φ1+Φ2＝Φ为守恒量，通过改变复合磁电材料所在磁回路中的磁通量Φ1，来改变可移动铁轭所在磁回路中的磁通量Φ2。磁通量Φ2＝B2·S2，从而改变可移动铁轭所在回路的磁感应强度B2，相应的改变可移动铁轭所受磁场作用力的大小，实现电压控制磁力的功能。
可移动铁轭的尺寸与该器件上半部分相匹配，形状如图3所示。
该器件具有典型的电容特性，热损耗非常小，维持恒力输出时几乎不需要消耗能量等优点。
该器件为获得最优性能，可以采用铌镁酸铅—钛酸铅压电单晶材料，其化学组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x为摩尔分数。压电性能最优组分为0.24≤x≤0.34，最优晶体学方向为<001>和<110>方向。但不局限于该压电材料。
附图说明
图1出示了复合磁电材料的结构示意图，1为压电材料，2为磁致伸缩材料，3为压电材料，4为正电极，5为正电极，6为接地电极。
图2出示了新型无线圈式磁力控制器件结构图，1为压电材料，2为磁致伸缩材料，3为压电材料，4为永磁铁，5为铁轭，6为铁轭。
图3出示了新型无线圈式磁力控制器件工作原理图，1为压电材料，2为磁致伸缩材料，3为压电材料，4为永磁铁，5为铁轭，6为铁轭，7为可移动铁轭，8为通过复合磁电材料的磁回路，9为通过可移动铁轭的磁回路。
图4出示了制作新型无线圈式磁力控制器件样品的实物图，1为压电材料PMN-PT，2为磁致伸缩材料Terfenol-D合金，3为压电材料PMN-PT，4为永磁铁，5为铁轭，6为铁轭，7为可移动铁轭，8为输入端，9为地端。
图5出示了气隙间磁感应强度的变化与所加交流电压的大小的关系曲线。
图6出示了一定输入电压下，气隙间磁感应强度变化的扫频曲线。
具体实施方式
实施例
新型磁力控制器件的结构如图2所示，选择用改进的Bridgman方法生长的<001>或<110>取向、组分为0.20≤x≤0.34的(1-x)PMN-xPT晶体，制作压电材料1和3。采用Terfenol-D合金制作磁致伸缩材料2。1和3的尺寸为12×5×1mm3，2的尺寸为12×5×1mm3。三层材料之间用导电环氧树脂胶粘接，实现机械耦合。从上下两层压电材料的外表面引出共同的正向电极，从中间层的磁致伸缩材料引出接地电极。
依照图3，将可移动铁轭7、铁轭6和5、永磁铁4、压电材料1和3、磁致伸缩材料2组装起来，得到磁力控制器件实物，如图4所示，其中1为压电材料PMN-PT，2为磁致伸缩材料Terfenol-D合金，3为压电材料PMN-PT，4为永磁铁，5为铁轭，6为铁轭，7为可移动铁轭，8为输入端，9为地端。
将输入端8和地端9接上信号函数发生器，输入交流电压。使用霍耳探测器测量可移动铁轭与磁力控制器气隙间的磁感应强度。由于当可移动铁轭的形状，磁性等特征固定后，其所受到的磁力正比于所在空间的磁感应强度，所以通过测量输入电压与磁感应强度的对应关系，可以表征新型磁力控制器的控制性能。B-V关系如图5所示，二者呈现良好的线性关系。
固定输入的交流电压的幅度，改变输入电压的频率，测量气隙间的磁感应强度，B-f曲线如图6所示，在低频下(＜10kHz)，器件性能基本上不受频率影响。

Claims (1)

1.无线圈式磁力控制器件，包括为第一压电材料(1)，磁致伸缩材料(2)，第二压电材料(3)，永磁铁(4)，第一铁轭(5)，第二铁轭(6)：
选择用改进的Bridgman方法生长的<001>或<110>取向、组分为0.20≤x≤0.34的(1-x)PMN-xPT晶体作为第一压电材料(1)和第二压电材料(3)，采用Terfenol-D合金制作磁致伸缩材料(2)，其中第一压电材料(1)、磁致伸缩材料(2)、第二压电材料(3)构成的具有压电材料-磁致伸缩材料-压电材料的多层复合磁电材料具有空间三明治层状结构，
第一压电材料(1)和第二压电材料(3)的尺寸为12×5×1mm3，磁致伸缩材料(2)的尺寸为12×5×1mm3，上下两层第一压电材料(1)和第二压电材料(3)分别朝上和朝下极化；
三层材料之间用导电胶粘接，实现机械耦合；从上下两层第一、第二压电材料的外表面引出共同的正向电极；从中间层的磁致伸缩材料引出接地电极；
两个第一、第二铁轭分别连接永磁铁和多层复合磁电材料的同一极，
正向电极与接地电极之间接入一定大小的电压，使得第一、第二压电材料有一定大小的输出位移量，磁致伸缩材料依据反磁致伸缩效应，相应的改变磁致伸缩材料所处空间的磁感应强度，通过第一、第二压电材料和磁致伸缩材料间的电-弹-磁耦合，通过测量输入电压与磁感应强度的对应关系，表征磁力控制器件的控制性能，实现电压量对空间磁感应强度量的控制。
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