CN103714955A - 可调控环形电感 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调控环形电感，包括：环形磁电复合元件以及绕制在所述环形磁电复合元件上的线圈；其中，所述环形磁电复合元件由环形压电元件与环形铁磁元件同心设置形成复合结构。在外加静电场时，环形压电元件因压电效应产生径向收缩或者扩张，将产生的机械应力沿环形压电元件的径向传递到环形铁磁元件上，环形铁磁元件由于压磁效应导致环形铁磁元件的磁导率和相应的电感量发生变化，从而实现了静电场对电感的调控。而且由于采用环形的压电元件和环形的铁磁元件形成同心复合结构，使得压电元件和铁磁元件的正面接触面积和相应的正应力增大，压电元件能将更大的机械应力传递给铁磁元件，从而增大了可调控环形电感的可调控范围。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电子元器件技术，尤其涉及一种可调控环形电感。
背景技术
电感是基本的电子器件，在常用电子器件中有着广泛的应用，当前，随着无线通讯技术的迅速发展带来了对可调电感的大量需求。因此，大量的研究都致力于发展可调量大、品质因子高及其能量损耗低的可调电感。
磁电可调控电感是一种新型的可调电感，磁电可调电感是利用应力（或应变、位移）耦合的压磁效应和压电效应实现电场对磁导率的控制。压电效应又分为正压电效应和逆压电效应，磁电可调电感主要利用的逆压电效应，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致磁导率发生变化的现象称为压磁效应。由铁磁材料与压电材料复合而成的磁电复合材料被证实是一种最为有效的磁电耦合方式，磁电复合材料同时具有正磁电效应（外加磁场感应出电极化）和逆磁电效应（外加电场感应出磁化），可用来制作很多新型功能器件。最近，张宁实验组报道了一种磁电可调控电感结构模型：由一条锆钛酸铅陶瓷棒与锰锌铁氧体环复合而成，当外加电场时锆钛酸铅陶瓷棒会收缩或扩张，将力传递给锰锌铁氧体环，锰锌铁氧体环受到外力时由于压磁效应使得磁导率变化，从而实现了电感的连续可调，但是由于锆钛酸铅陶瓷棒与锰锌铁氧体环的接触面积小使得锰锌铁氧体环的受力也小，从而在5kV/cm的电场下，这种磁电可调控电感只具有20%的电感可调量。显然，这样的电感可调量非常有限，很难满足实际需要。
发明内容
本发明实施例提供一种可调控环形电感，以克服现有技术中磁电可调电感可调控量小的问题。
本发明提供一种可调控环形电感，包括：环形磁电复合元件以及绕制在所述环形磁电复合元件上的线圈；
其中，所述环形磁电复合元件包括环形压电元件和环形铁磁元件，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置形成同心圆环磁电复合结构。
如上所述的电感，所述环形压电元件的外径等于所述环形铁磁元件的内径，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置，包括：
所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内。
如上所述的电感，所述环形压电元件的内径等于所述环形铁磁元件的外径，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置，包括：
所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内。
如上所述的电感，所述环形压电元件沿与所述环形压电元件的径向垂直的厚度方向极化，并且所述环形压电元件的上下表面设置有一对电极，所述各电极上分别设置一根导线，所述导线作为所述可调控环形电感的控制电压的接线端。
如上所述的电感，所述环形压电元件沿所述环形压电元件的径向极化，且所述环形压电元件的内外表面设置有一对电极，所述各电极上分别设置一根导线，所述导线作为所述可调控环形电感的控制电压的接线端。
如上所述的电感，所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内，包括：
所述环形压电元件与所述环形铁磁元件通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内。
如上所述的电感，所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内，包括：
所述环形铁磁元件与所述环形压电元件通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内。
如上所述的电感，所述线圈均匀的绕制在所述环形磁电复合元件上，所述线圈的首尾留出作为所述可调控环形电感的接线端。
如上所述的电感，所述环形压电元件的材料为以下材料中的任意一种：锆钛酸铅压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌镁酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌锌酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶以及铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。
如上所述的电感，所述环形铁磁元件的材料为锰锌铁氧体或铁基非晶合金。
本发明提供一种可调控环形电感，由一个具有压电效应的环形压电元件和一个具有压磁效应的环形铁磁元件构成环形磁电复合元件，以及绕制在环形磁电复合结构上的线圈构成。在外加静电场的作用下，环形压电元件因压电效应产生径向收缩或者扩张，将产生的机械应力沿环形压电元件的径向传递到环形铁磁元件上，环形铁磁元件由于压磁效应导致环形铁磁元件的磁导率和相应的电感量发生变化，从而实现了静电场对电感的调控。而且本实施例提供的可调控环形电感由于采用环形的压电元件和环形的铁磁元件形成同心复合结构，使得压电元件和铁磁元件的正面接触面积和正应力增大，压电元件能将更大的机械应力传递给铁磁元件，从而增大了可调控环形电感的可调范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可调控环形电感的结构示意图；
图2为可调控环形电感的电感值随外加电场的变化示意图；
图3为可调控环形电感的可调量随外加电场的变化示意图。
附图标记说明：
1：环形磁电复合元件； 2：线圈；
11：环形压电元件； 12：环形铁磁元件；
3：控制电压接线端。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的一种可调控环形电感的结构示意图，如图1所示，本实施例的可调控环形电感包括：环形磁电复合元件1和绕制在环形磁电复合元件1上的线圈2。其中，环形磁电复合元件1包括环形压电元件11和环形铁磁元件12，环形压电元件11与环形铁磁元件12同心设置形成同心圆环磁电复合结构。
环形压电元件11与环形铁磁元件12同心设置可分为以下两种情况：第一种情况，环形压电元件11的外径等于环形铁磁元件12的内径，环形压电元件11套设在环形铁磁元件12内。第二种情况，环形压电元件11的内径等于环形铁磁元件12的外径，环形铁磁元件12套设在环形压电元件11内。在外加静电场的作用下，环形压电元件11因压电效应产生径向收缩或者扩张，环形压电元件11的收缩或者扩张产生机械应力，这样将机械应力沿环形压电元件11的径向传递到环形铁磁元件12上，环形铁磁元件12由于压磁效应导致环形铁磁元件12的磁导率和相应的电感量发生变化，从而实现了静电场对电感的调控。当对该可调控环形电感外加正电场时，该可调控环形电感的电感值随电场增大明显减小。
具体来说，本实施例中，环形压电元件11和环形铁磁元件12都为环状，两者进行复合时，在外加电场时环形压电元件11因压电效应产生的机械应力，由于环形压电元件11和环形铁磁元件12的正面接触面积大，环形压电元件11传递给环形铁磁元件12的机械正应力也大，环形铁磁元件12由于受到的机械正应力变大，使得环形铁磁元件12因压磁效应产生的磁导率变化也大，从而增大了可调控环形电感的可调电感量。
当环形压电元件11套设在环形铁磁元件12内时，环形压电元件11可通过多种方式与环形铁磁元件12连接，一种连接方式中，环形压电元件11与环形铁磁元件12通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使环形压电元件11套设在环形铁磁元件12内。当外加正电场时，环形压电元件11因压电效应收缩，产生的机械应力会迫使环形铁磁元件12也向内收缩，使环形铁磁元件12受到沿径向且向内的拉力，这造成环形铁磁元件12体内产生沿圆周方向的压应力，由于压磁效应，导致磁导率减小，使得电感量也相应的减小。
当环形铁磁元件12套设在环形压电元件11内时，环形铁磁元件12可通过多种方式与环形压电元件11连接，一种连接方式中，环形铁磁元件12与环形压电元件11通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使环形铁磁元件12套设在环形压电元件11内。需要说明的是，环形压电元件11和环形铁磁元件12并不限于上述两种方式形成同心圆环磁电复合结构，环形压电元件11和环形铁磁元件12还可以通过其他方式连接。外加电场时，环形压电元件11因压电效应收缩，产生的机械应力会挤压环形铁磁元件12使环形铁磁元件12收缩，导致环形铁磁元件12受到沿径向且向内的压力，环形铁磁元件12由于压磁效应，导致磁导率变化，从而使得电感量也相应发生变化。
本实施例中，环形压电元件11的材料可以为以下材料中的任意一种：锆钛酸铅压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌镁酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌锌酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶以及铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。环形铁磁元件12的材料可以为锰锌铁氧体或铁基非晶合金，但本发明并不对此进行限制，环形压电元件11和环形铁磁元件12还可以采用除上述列举的材料之外的其他压电材料和铁磁材料。
本实施例中，线圈2可以均匀的绕制在环形磁电复合元件1上，线圈2的首尾留出作为可调控环形电感的接线端。线圈2的材料可以为漆包线，当然，线圈2还可以采用现有的任意一种线圈，本发明并不对此进行限制。
本实施例提供的可调控环形电感，由一个具有压电效应的环形压电元件和一个具有压磁效应的环形铁磁元件构成环形磁电复合元件，以及绕制在环形磁电复合结构上的线圈构成。在外加静电场的作用下，环形压电元件因压电效应产生径向收缩或者扩张，将产生的机械应力沿环形压电元件的径向传递到环形铁磁元件上，环形铁磁元件由于压磁效应导致环形铁磁元件的磁导率和相应的电感量发生变化，从而实现了静电场对电感的调控。而且本实施例提供的可调控环形电感由于采用环形的压电元件和环形的铁磁元件形成同心复合结构，使得压电元件和铁磁元件的正接触面积和正应力增大，压电元件能将更大的机械应力传递给铁磁元件，从而增大了可调控环形电感的可调控范围。
进一步的，在实施例一提供的可调控环形电感的基础上，环形压电元件11的上下表面设置有一对电极，环形压电元件11沿与环形压电元件11径向垂直的方向极化，即环形压电元件11沿其厚度方向极化。或者，环形压电元件11的内外表面设置有一对电极，环形压电元件11沿环形压电元件11径向极化。并且在各电极上分别设置一根导线，将该导线作为可调控环形电感的控制电压接线端3，通过控制电压接线端3在可调控环形电感的两端外加正向电压或反向电压。
本发明实施例中将简单的介绍一下可调控环形电感的制作方法，调环形电感的结构如图1所示，本实施例中，环形压电元件11采用环形锆钛酸铅陶瓷片，环形铁磁元件12采用锰锌铁氧体环，环形压电元件11的表面设置有银电极，环形锆钛酸铅陶瓷片的材料型号为PZT-5H（Pb(Zr,Ti)O3，简写为PZT），环形压电元件11的外径为15mm（毫米），内径为5mm，厚度为1mm，并且环形压电元件11沿与其径向垂直的方向极化，即沿其厚度方向极化。锰锌铁氧体环的初始磁导率为5000，其外径为25mm，内径为15mm（与环形锆钛酸铅陶瓷片的外径相等），厚度也为1mm。
第一步，将锆钛酸铅陶瓷制备成外径15mm，内径5mm，厚度1mm的环形压电元件11，并在环形压电元件11的上下表面烧制银电极，然后，用高压直流电源对其沿厚度方向做极化处理，极化处理时采用120℃硅油，极化处理电场为3kV/cm。对锆钛酸铅陶瓷极化处理的方法可以有多种，这里只是举一个常用的例子来说明。最后，在环形压电元件11的上下电极表面分别焊接一根导线作为可调控环形电感的控制电压的接线端。也可以在环形压电元件11的内外环表面制作电极并沿径向极化。
第二步，将锰锌铁氧体环制备成外径25mm，内径15mm，厚度1mm的环形铁磁元件12，用细砂纸对环形压电元件11的外环边沿以及环形铁磁元件12的内环壁做适当打磨，然后用环氧树脂（West system105/206）将环形压电元件11与环形铁磁元件12紧密粘接形成环形磁电复合元件1。整个过程在室温下完成，并固化24个小时。
第三步，环形磁电复合元件1形成之后，在环形磁电复合元件1上均匀绕制N匝线圈2，并留出首尾线头作为可调控环形电感的接线端。
通过上述三步完成了可调控环形电感的制作，该可调控环形电感结构简单，制作工艺简单，可以应用于电力电子领域里的电源管理、功率滤波器、逆变器以及无线系统领域里的压控振荡器、动态匹配网络等。
以下举例说明本发明提供的可调控环形电感的测试过程，首先，将可调控环形电感的接线端连接至LCR表或者阻抗分析仪上，再按照环形压电元件11的极化方向，用直流电源通过可调控环形电感的控制电压接线端3对其施加正向电压，便可获得本发明的可调控环形电感的电感量以及可调量随外加电场的变化规律，通常情况下施加的是正向电压，由于负向电压易导致压电陶瓷退极化。图2为可调控环形电感的电感值随外加电场的变化示意图，如图2所示，在外加正电场的作用下，本发明的可调控环形电感的电感值随电场增大而减小，并且呈良好的线性关系。图3为可调控环形电感的可调量随外加电场的变化示意图，如图3所示，在5kV/cm电场的作用下，可以得到65%的可调量，增大了磁电可调电感的调控范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种可调控环形电感，其特征在于，包括：环形磁电复合元件以及绕制在所述环形磁电复合元件上的线圈；
其中，所述环形磁电复合元件包括环形压电元件和环形铁磁元件，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置形成同心圆环磁电复合结构。
2.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件的外径等于所述环形铁磁元件的内径，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置，包括：
所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内。
3.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件的内径等于所述环形铁磁元件的外径，所述环形压电元件与所述环形铁磁元件同心设置，包括：
所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内。
4.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件沿与所述环形压电元件的径向垂直的厚度方向极化，并且所述环形压电元件的上下表面设置有一对电极，所述各电极上分别设置一根导线，所述导线作为所述可调控环形电感的控制电压的接线端。
5.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件沿所述环形压电元件的径向极化，且所述环形压电元件的内外表面设置有一对电极，所述各电极上分别设置一根导线，所述导线作为所述可调控环形电感的控制电压的接线端。
6.根据权利要求2所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内，包括：
所述环形压电元件与所述环形铁磁元件通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使所述环形压电元件套设在所述环形铁磁元件内。
7.根据权利要求3所述的电感，其特征在于，所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内，包括：
所述环形铁磁元件与所述环形压电元件通过环氧树脂粘接或共烧方式形成同心圆环磁电复合结构，使所述环形铁磁元件套设在所述环形压电元件内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电感，其特征在于，所述线圈均匀的绕制在所述环形磁电复合元件上，所述线圈的首尾留出作为所述可调控环形电感的接线端。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的电感，其特征在于，所述环形压电元件的材料为以下材料中的任意一种：锆钛酸铅压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌镁酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷或单晶、铌锌酸铅-钛酸铅压电陶瓷或单晶以及铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的电感，其特征在于，所述环形铁磁元件的材料为锰锌铁氧体或铁基非晶合金。
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