发明内容
本发明目的是提供一种双向可调控的磁电电感器,以解决现有技术中磁电可调控电感不能实现双向可调的问题,拓展了调节方式,扩大了可调电感的应用范围。
为实现上述目的,本发明提供以下技术方案:
一种双向可调控的磁电电感器,包括层状磁电复合元件以及均匀绕制在所述层状磁电复合元件外围的铜质线圈;
所述层状磁电复合元件包括矩形铁磁元件和矩形压电元件,所述矩形铁磁元件位于所述矩形压电元件的上下两侧形成三明治状的对称结构;
所述矩形铁磁元件的材料为镓掺杂的镍锌铁氧体材料,所述矩形压电元件的材料为PZT-8。
进一步地,所述镓掺杂的镍锌铁氧体材料的化学表达式为Ni0.7Zn0.3Ga0.02Fe1.98O4。
进一步地,所述矩形铁磁元件和所述矩形压电元件的宽度和厚度一致,所述矩形铁磁元件的长度比所述矩形压电元件略短。
进一步地,所述矩形压电元件沿厚度方向极化,矩形压电元件的上下表面设置有一对电极,各所述电极上分别设置一根导线,所述导线作为所述双向可调控的磁电电感器的控制电压的接线端。
进一步地,所述矩形铁磁元件位于所述矩形压电元件的上下两侧形成三明治状的对称结构,包括:一层所述矩形压电元件的上下两侧通过环氧树脂胶分别粘结一层所述矩形铁磁元件形成三明治状的对称结构,使所述矩形铁磁元件位于所述矩形压电元件的上下两侧。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明双向可调控的磁电电感器中层状磁电复合元件为三明治状的对称结构,层状磁电复合元件由矩形铁磁元件和矩形压电元件粘结而成,当对压电层施加静电场时,矩形压电元件因逆压电效应产生长度方向的伸长,带动所产生的机械应力经层间传递至磁致伸缩层,导致矩形铁磁元件的伸长。此外,当对磁电电感器施加磁场时,由于Villari效应的存在导致镍锌铁氧体材料沿长度方向的收缩,而镍锌铁氧体材料中因镓的掺入而改变了铁氧体的剩磁和增强磁致伸缩性,导致其动态收缩性能更好。因此,通过外加电/磁场所引起磁致伸缩层的伸长或缩短引起磁导率的改变,对应于外围密绕线圈电感量的增大或减小,从而实现外场调控下的电感的双向可调控,相比只能单向调节的电感器,拓展了调节方式;本发明提供双向可调控的磁电电感器的电感量在频段(1kHz-100kHz)范围内可以得到571%的可调量,大大提高了调节范围,扩大了可调电感的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加电场作用的变化示意图。
图3是本发明实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加磁场作用的变化示意图。
图4是本发明实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加电场磁场作用的双向变化示意图。
图5为本发明实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的电感量可调范围示意图。
附图中标号:1为层状磁电复合元件,101为矩形铁磁元件,102为矩形压电元件,2为铜质线圈,3为接线端。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步陈述,但并非是对本发明保护范围的限定。
图1为本实施例提供的一种双向可调控的磁电电感器的结构示意图。如图1所示,一种双向可调控的磁电电感器,包括层状磁电复合元件1以及均匀绕制在层状磁电复合元件外围的铜质线圈3;层状磁电复合元件1包括矩形铁磁元件101和矩形压电元件102,矩形铁磁元件101位于矩形压电元件102的上下两侧形成三明治状的对称结构;矩形铁磁元件101的材料为镓掺杂的镍锌铁氧体材料,矩形压电元件102的材料为PZT-8。
本实施例中镓掺杂的镍锌铁氧体材料的化学表达式为Ni0.7Zn0.3Ga0.02Fe1.98O4,式中元素下角标数字表示各元素的摩尔数。而镍锌铁氧体材料中因镓的掺入而改变了铁氧体的剩磁和增强磁致伸缩性,导致其动态收缩性能更好(N. Ranvah, Y. Melikhov, D. C.Jiles,et al. ,Temperature dependence of magnetic anisotropy of Ga-substitutedcobalt ferrite. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 07E506(2008))。
本实施例中列举矩形铁磁元件101位于矩形压电元件102的上下两侧形成三明治状的对称结构的一种情况:一层矩形压电元件102的上下两侧通过环氧树脂胶分别粘结一层矩形铁磁元件101形成三明治状的对称结构,使矩形铁磁元件101位于矩形压电元件102的上下两侧。
本实施例中矩形压电元件102沿厚度方向极化,矩形压电元件102的上下表面设置有一对Ag电极,各电极上分别设置一根Pt丝作为导线,导线作为双向可调控的磁电电感器的控制电压的接线端3。
本实施例中矩形铁磁元件101和矩形压电元件102的宽度和厚度一致,矩形铁磁元件101的长度比矩形压电元件102略短5mm,便于电极的焊接和引出。具体采用的矩形铁磁元件101的尺寸为35mm×5mm×0.5mm,矩形压电元件102的尺寸为40mm×5mm×0.5mm。
本实施例给出矩形铁磁元件101和矩形压电元件102采用上述尺寸的双向可调控的磁电电感器的制作方法:
步骤1:制备矩形铁磁元件101。取AR级的Fe2O3、Ga2O3、NiO和ZnO粉末按照化学表达式Ni0.7Zn0.3Ga0.02Fe1.98O4中的摩尔比精确称重,加入甲醇溶剂后与二氧化锆球在行星式球磨机中湿磨15h,湿磨时甲醇溶剂的质量为上述粉末总重的一半;待溶剂完全挥发后将收集到的混合粉末放入马弗炉在800°C的温度下预烧3h;将预烧后的混合粉末再次倒入行星式球磨机与甲醇溶剂和二氧化锆球混合进行二次湿磨15h,湿磨时甲醇溶剂的质量为上述粉末总重的一半;待混合粉末自然冷却至室温,加入3w.t%的PVA粘结剂在3000psi压力下用压片机压成片状样坯;片状样坯被Al2O3粉末包裹后置入马弗炉在600°C温度下排胶3h,后分两段升温至1275°C:先用升温速率为1.1°C/min缓慢升温至800°C,接着升温速率为2.5°C/min从800°C升温至1275°C。并在1275°C温度下保持4h烧结成型。利用低速切割机将烧结后的样坯切成35mm×5mm×0.5mm的矩形铁磁元件101样片。
步骤2:粘结。将矩形铁磁元件101样片用600#细砂纸双面抛光后用甲醇清洗,用环氧树脂胶粘结在尺寸为40mm×5mm×0.5mm的PZT-8矩形压电元件102的上下表面,用固定夹夹住器件使其受压为5MPa,置于120°C条件下在干燥箱内加热2h,取出冷却至室温,在裸露出来的PZT-8矩形压电元件102的上下表面敷上Ag电极,各Ag电极上一根Pt丝导线,导线作为双向可调控的磁电电感器的控制电压的接线端3,得到层状磁电复合元件1样片。
步骤3:绕线圈。在层状磁电复合元件1样片外周均匀密绕260匝铜质线圈2,并在铜质线圈2的首尾两端预留线头并敷焊锡,作为双向可调控的磁电电感器的电感量测量的接线端,最终得到双向可调控的磁电电感器样片。
上述制作过程所用到的化学试剂和原料粉末均购自国药集团化学试剂有限公司,AR级;马弗炉,型号为KSL-1700X,购自合肥科晶材料技术有限公司;低速切割机,型号为SYJ-160,购自沈阳科晶材料技术有限公司;压片机,型号为YLJ-24T,购自沈阳科晶材料技术有限公司;二氧化锆球购自长沙天创粉末技术有限公司;行星式球磨机,型号为XQM-2,购自长沙天创粉末技术有限公司。
本实施例给出双向可调控的磁电电感器的电感量的测试系统:测试中用到的器材分别为双向可调控的磁电电感器样片、双极性直流电流源、低功率直流电压源、阻抗分析仪和电磁铁。双向可调控的磁电电感器样片具有四线双端口,加载在PZT-8两端的电场由直流电压源提供;铜质线圈2预留的线头作为响应端口,经夹具通入阻抗分析仪进行电感量的直接测量。外加磁场由电磁铁提供,并由一个双极性电流源作为电源供给。
图2为本实施例一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加电场作用的变化示意图。由图2可知,在某一扫频曲线下,电感量随着频率的增大逐渐减小;电场从0逐渐增加到18kV/cm,电感量在全频段(1kHz-100kHz)展现了一个逐渐增大的趋势。
图3是本发明一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加磁场作用的变化示意图。由图3可知,在某一扫频曲线下,电感量随着频率的增大而缓慢减小,并在64.7kHz出现谐振峰;磁场从0逐渐增加到30Oe时,电感量在频段(1kHz-100kHz)展现了一个逐渐减小的趋势。
图4是本发明一种双向可调控的磁电电感器的电感量随外加电场磁场作用的双向变化示意图。由图4可知,当外场磁场反向时电感量的变化曲线与正向电场的电感量的变化曲线对称,整体曲线呈现‘X’型,说明磁电电感器电感量在外场影响下实现了双向可调。
图5是本发明一种双向可调控的磁电电感器的电感量可调范围示意图。电感量的可调量 ,式中L min 为电感量的最小值,L为电感量的初始值。由图4可知,在频率1kHz下,电感量呈现逐渐减小的趋势,特别指出在0-260Oe的低场区间内,电感量呈现急剧下降的趋势;而在260Oe-500Oe的高场区间内电感量趋于饱和并稳定在20.81 μH。依据上述公式,L=139.7μH,L min =20.81μH,计算可以得到电感量的最大可调量为571%,调节范围得到很大提高,增大了电感器的可控调节范围。
综上,当对压电层施加静电场时,矩形压电元件102因逆压电效应产生长度方向的伸长,带动所产生的机械应力经层间传递至磁致伸缩层,导致矩形铁磁元件101的伸长。此外,当对磁电电感器施加磁场时,由于Villari效应的存在导致镍锌铁氧体材料沿长度方向的收缩,而镍锌铁氧体材料中因镓的掺入而改变了铁氧体的剩磁和增强磁致伸缩性,导致其动态收缩性能更好。因此,通过外加电/磁场所引起磁致伸缩层的伸长或缩短引起磁导率的改变,对应于外围密绕线圈电感量的增大或减小,从而实现外场调控下的电感的双向可调控,相比只能单向调节的电感器,拓展了调节方式,其电感量在频段(1kHz-100kHz)范围内可以得到571%的可调量,大大提高了调节范围,扩大了可调电感的应用范围。
以上所述之实施例,只是本发明的较佳实施例而已,仅仅用以解释本发明,并非限制本发明实施范围,对于本技术领域的技术人员来说,当然可根据本说明书中所公开的技术内容,通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式,故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等,均应包括于本发明申请专利范围内。