CN109671844A - 一种具有高q值的磁电回旋器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高效功率传输器件技术领域，公开了一种具有高Q值的磁电回旋器件，其由磁芯及均匀围绕在磁芯外围的铜质线圈构成，所述磁芯为在一层压电陶瓷矩形片的上下两侧分别通过环氧树脂胶黏结一层磁致伸缩矩形片构成三明治结构，所述磁致伸缩矩形片的材质为铁镍基恒弹性合金，所述压电陶瓷矩形片的材质为PZT‑8。本发明采用铁镍基恒弹性合金，通过改变磁致伸缩层材料，利用其在高频时具有较高的机械品质因数和稳定的频率响应特性，使其与低阻抗型压电陶瓷复合组成磁电回旋器时，磁致伸缩层在参与磁电耦合过程中相继完成磁‑机转换和机‑电转换的同时也增强了磁电耦合能力，降低了机‑电转换过程的机械能量损耗，进而提高了磁电回旋器的功率转换效率。
Description
技术领域
本发明属于高效功率传输器件技术领域，具体涉及一种具有高Q值的磁电回旋器。
背景技术
1948年，Tellegen通过理论建模假想了一种理想回旋器模型，该模型描述了一种无源、线性的四线双端口网络元件，能够实现I-V/V-I转换并伴随容性电路与感性电路的直接转换。然而，在集成电路的设计与和功能实现中往往受限于能够接入电路拓扑的基本电气元件，普通电感元件受限于电感量的精确调控难以在大规模电路中微型化集成，而利用回旋器的“回旋”特性可以实现感性网络和容性网络的互逆转换，因而能够在大规模集成电路中将不易在晶片上集成的电感元件用更容易集成的回旋器和普通电容元件组合所替代。而且，普通电容较电感更加接近理想的元件，则由回旋器与普通电容器模拟出的电感，相对于任何的普通电感都要更接近理想的基本电气元件。因而，回旋器被认为是继电阻、电容、电感和变压器之后的第五类基本电气元件。
在过去的十年中，磁电复合异质结构因其具有磁/电场互逆转换的物理内涵因而在磁场/电流探测、数据存储、环境能量采集等领域具有广泛的潜在应用。磁电复合异质结构的出现为回旋器的实现提供了可能同时加速了回旋器的实现。2006年，美国弗吉尼亚理工学院的Zhai等人首次利用Terfenol-D/PZT磁电复合材料通过在其外围密绕线圈实现了其V-I回旋特性。自2016年起，该课题组的Leung等人又通过掺杂以及改变层合方式等实验手段就如何进一步提高磁电回旋器稳定性和传输效率展开了一系列深入地理论及实验研究。然而，迄今为止国内关于磁电回旋器的研究工作未见报道。国外现有工作所报道的块体磁电回旋器普遍存在磁-机-电转换中损耗较大和功率转换效率普遍不高等问题，且难以实现微型化并在电路中集成。磁电回旋器中的高能量转换效率依靠高效的磁-机-电耦合来实现，并在I-V/V-I直接集成转换的滤波器及转换器功能模块中有潜在应用。
机械品质因数（Q值）是表征机械振子每个振动周期所存储能量与损耗能量之比，是衡量机械振子能量转换的重要指标。表征储能器件、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标，即在一系统的共振频率下，当信号振幅不随时间变化时，系统储存能量和每个周期外界所提供能量的比例（此时系统储存能量也不随时间变化）。Q值较高的振子在共振时，在共振频率附近的振幅较大，但会产生共振的频率范围比较小，此频率范围可以称为-3dB 带宽，即能量超过峰值能量一半以上的频率范围（等价于最大幅值的倍所对应的频带）。故Q因子也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q值表示机械振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间。机械品质因数的计算公式如下：Q=f r /Δ f，式中f r 为谐振频率，Δf为-3dB带宽。
申请号为201710493933.2的中国发明专利公开了“一种磁电回旋器及其功率转换效率测量装置”，其含有PZT-NFO-NZFO三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器在谐振频率62 kHz、最优偏置磁场Hbias=42 Oe和匹配电阻RL=700 Ω条件下，功率转换效率PE的最大值为64.65%。依据品质因数计算公式可知，该专利中Q=61.9/(62.03-61.78)=247.6，因此品质因数不高，故而会导致功率转换效率低。
发明内容
本发明目的是提供一种具有高Q值的磁电回旋器，增强了磁电耦合能力，降低了机-电转换过程的机械能量损耗，进而提高了磁电回旋器的功率转换效率。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种具有高Q值的磁电回旋器，其由磁芯及均匀围绕在磁芯外围的铜质线圈构成，所述磁芯为由一层压电陶瓷矩形片的上下两侧分别通过环氧树脂胶黏结一层磁致伸缩矩形片构成的三明治结构，所述磁致伸缩矩形片的材质为铁镍基恒弹性合金，所述压电陶瓷矩形片的材质为PZT-8。
进一步地，以质量百分比计，所述铁镍基恒弹性合金的组分如下：C≤0.06%，Mn≤0.8%，Si≤1.0%，S≤0.04%，P≤0.04%，Cr 4.9%~5.75%，Ni 41.0%~43.5%，Ti 2.20%~2.75%，Al 0.30%~0.80%，余量为Fe。
进一步地，所述磁致伸缩矩形片的长度比所述压电陶瓷矩形片的长度略短，磁致伸缩矩形片的宽度与压电陶瓷矩形片的宽度一致，磁致伸缩矩形片的厚度与压电陶瓷矩形片的厚度略薄。
进一步地，所述磁致伸缩矩形片的长、宽和高分别为38mm、6mm和0.8mm，所述压电陶瓷矩形片的长、宽和高分别为40mm、6mm和1mm。
上述具有高Q值的磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：先用400#细砂纸将磁致伸缩矩形片双面打磨去除氧化层；压电陶瓷矩形片上下表面各敷有一层30μm厚的Ag作为电极，电极表面所焊接的Pt丝作为磁电回旋器件输出端口的引线端，将Ag电极轻微刮出划痕，然后用甲醇冲洗自然风干待用；将磁致伸缩矩形片与压电陶瓷矩形片通过环氧树脂胶水层间粘合组成磁芯，再用G型夹施加5MPa压力固定，并放入干燥箱在设定温度120°C下干燥2h，冷却至室温待用；在磁芯外围用0.2mm的铜质线圈密绕320匝，线圈的首尾两端敷焊锡后作为交流电流输入端，即得磁电回旋器。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用铁镍基恒弹性合金，通过改变磁致伸缩层材料，利用其在高频时具有较高的机械品质因数和稳定的频率响应特性，使其与低阻抗型压电陶瓷复合组成磁电回旋器时，磁致伸缩层在参与磁电耦合过程中相继完成磁-机转换和机-电转换的同时也增强了磁电耦合能力，降低了机-电转换过程的机械能量损耗，进而提高了磁电回旋器的功率转换效率。
2.在现有技术中，一般只考虑到与磁-机-电转换中的磁-机的转换过程对磁电转换效率的影响，却忽略了也同时参与磁-机-电转换的机-电转换过程，而本发明磁电回旋器同时考虑了磁-机转换与机-电转换两个独立物理过程在参与动态磁-机-电转换过程中的共同贡献，在完成输入功率高效传输的同时并伴随着感性/容性网络的互逆转换与阻抗匹配，可用于替代在转换器、滤波器以及移相器等功能模块中不易大规模集成的感性元件。
附图说明
图1为功率转换效率随谐振频率（范围为40 kHz-65 kHz）的变化曲线。
图2为功率转换效率随施加负载电阻（范围为100 Ω-580 kΩ）的变化曲线。
图3为输入功率恒定时输出电压与功率转换效率随负载电阻（范围为100 Ω-580kΩ）的响应曲线。
图4为磁芯在开路时磁电电压和相位随谐振频率变化的响应曲线。
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。
本发明中所用的铁镍基恒弹性合金购自重庆材料研究院有限公司，型号为3YC4P（中国牌号3J53，美国牌号Ni-Span-C 902，UNS N09902）合金是一种沉淀硬化型Ni-Fe-Cr合金，具有较高的弹性模量和强度，低的弹性模量温度系数、良好的波速一致性，在高温下具有优良的强度、抗氧化能力及可控热弹性相关系数；以质量百分比计，铁镍基恒弹性合金组分如下：C≤0.06%，Mn≤0.8%，Si≤1.0%，S≤0.04%，P≤0.04%，Cr 4.9%~5.75%，Ni 41.0%~43.5%，Ti 2.20%~2.75%，Al 0.30%~0.80%，余量为Fe。
实施例1
一种具有高Q值的磁电回旋器，其由磁芯及均匀围绕在磁芯外围的铜质线圈构成，所述磁芯为在一层压电陶瓷矩形片的上下两侧分别通过环氧树脂胶黏结一层磁致伸缩矩形片构成的三明治结构。所述磁致伸缩矩形片的材质为铁镍基恒弹性合金，磁致伸缩矩形片的长、宽和高分别为38mm、6mm和0.8mm。所述压电陶瓷矩形片的材质为PZT-8，压电陶瓷矩形片的长、宽和高分别为40mm、6mm和1mm。
上述具有高Q值的磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：先用400#细砂纸将磁致伸缩矩形片双面打磨去除氧化层；压电陶瓷矩形片上下表面各敷有一层30μm厚的Ag作为电极，电极表面所焊接的Pt丝作为磁电回旋器件输出端口的引线端，将Ag电极轻微刮出划痕，然后用甲醇冲洗自然风干待用；将磁致伸缩矩形片与压电陶瓷矩形片通过环氧树脂胶水层间粘合组成磁芯，再用G型夹施加5MPa压力固定，并放入干燥箱在设定温度120°C下干燥2h，冷却至室温待用；在磁芯外围用0.2mm的铜质线圈密绕320匝，线圈的首尾两端敷焊锡后作为交流电流输入端，即得磁电回旋器。
测定本发明具有高Q值的磁电回旋器的功率转换效率，测量原理与申请号201710493933.2的中国发明专利“一种磁电回旋器及其的功率转换效率测量装置”中公开的测量装置基本相同，不同之处在于：在测量磁电耦合系数时将数字存储示波器替换为锁相放大器。该测量装置采用了LabVIEW软件平台下的自动测量系统，平台通过LabVIEW图形化软件编程语言将计算机资源（例如微处理器、内存和显示器）和通用仪器硬件灵活地结合起来，完成测试系统的仪器的参数设定与控制、数据采集、人机交互和数据存储等主要功能，同时利用设定的频率扫描等控制逻辑，达到精确、快速测量所设计磁电回旋器功率传输效率的目的。本发明中用到的设备型号如下：可变电阻箱的型号为ZX21，购自上海东茂电子科技有限公司；数字存储示波器的型号为AFG31000，购于美国泰克科技有限公司；函数发生器的型号为：Aglient33250A，购自美国安捷伦科技有限公司；功率放大器的型号为SR5113，购自美国阿美泰克有限公司；锁相放大器的型号为Zurich MFLI，购于瑞士苏黎世仪器公司。
当铁镍基恒弹性合金Ni-Fe-Cr制成的磁致伸缩矩形片置于线圈中心位置，并感应到输入交变电流所产生的动态磁场时，机械应变经层间传递至压电层，并在压电层电极两端产生电压输出。利用所搭建的实验装置通过静态磁场扫描得到磁电回旋器的最优偏置磁场为66 Oe，然后施加恒定的最优偏置磁场并借助定场扫频的实验手段获得磁电回旋器的谐振频率出现在范围为40 kHz-65 kHz的区间内。
在最优偏置磁场为66Oe时，通过调节谐振频率（范围为40 kHz-65 kHz），得到如图1所示的功率转换效率随谐振频率（范围为40 kHz-65 kHz）的变化曲线。从图1可知，当最优偏置磁场为66 Oe、谐振频率为54.04 kHz时，功率转换效率PE达到最大值（88.5%），此时负载电阻RL=9.6 kΩ。
在最优偏置磁场为66Oe时，固定谐振频率为54.04 kHz，调节输出回路上可变电阻箱的负载阻值（范围为100 Ω-580 kΩ），得到如图2所示的功率转换效率随施加负载电阻（范围为100 Ω-580 kΩ）的变化曲线。从图2可知，当最优偏置磁场为66 Oe、谐振频率为54.04 kHz时，磁电回旋器的功率转换效率PE的最大值（88.5%）同样出现在负载电阻RL=9.6kΩ时，即最优负载电阻为9.6 kΩ。
图3为输入功率恒定时输出电压与功率转换效率随负载电阻（范围为100 Ω-580kΩ）的响应曲线。从图3可知，当所施加的输入功率恒定为2 μW时（即输入功率密度为3.31μW/cm3），输出电压与功率转换效率随负载电阻变化趋势基本一致，说明最优负载电阻的阻值与功率转换效率PE的最大值（88.5%）相匹配，同时也说明在较低的输入功率密度条件下，本发明磁电回旋器表现出稳定的频率响应特性，这是磁电回旋器达到功率转换效率的重要原因。
故本发明磁电回旋器的功率转换效率PE的最大值为88.5%，所对应的最优偏置磁场为66 Oe、谐振频率为54.04 kHz、最优负载电阻为9.6 kΩ。
图4为磁芯在开路时磁电电压和相位随谐振频率变化的响应曲线。从图4可以看出，当最优偏置磁场为66 Oe、谐振频率为54.04 kHz时，磁电耦合系数194 V/cm·Oe达到最大，同时相位在谐振点处呈现出180o的反相，故对应的-3dB 带宽Δf=40Hz，谐振频率f r =54.04KHz，通过公式Q=f r /Δf，可计算得出本发明磁电回旋器的机械品质因数Q为1351，即因为铁镍基恒弹性合金在高频时较高的机械品质因数，使磁电回旋器在进行I/V直接转换时表现出良好的回旋特性以及高效的功率传输能力。
本发明采用铁镍基恒弹性合金，通过改变磁致伸缩层材料，利用其在高频时具有较高的机械品质因数和稳定的频率响应特性，使其与低阻抗型压电陶瓷复合组成磁电回旋器时，磁致伸缩层在参与磁电耦合过程中相继完成磁-机转换和机-电转换的同时也增强了磁电耦合能力，降低了机-电转换过程的机械能量损耗，进而提高了磁电回旋器的功率转换效率。
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。
Claims (4)
1.一种具有高Q值的磁电回旋器，其由磁芯及均匀围绕在磁芯外围的铜质线圈构成，其特征在于，所述磁芯为在一层压电陶瓷矩形片的上下两侧分别通过环氧树脂胶黏结一层磁致伸缩矩形片构成的三明治结构，所述磁致伸缩矩形片的材质为铁镍基恒弹性合金，所述压电陶瓷矩形片的材质为PZT-8。
2.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的磁电回旋器，其特征在于，以质量百分比计，所述铁镍基恒弹性合金的组分如下：C≤0.06%，Mn≤0.8%，Si≤1.0%，S≤0.04%，P≤0.04%，Cr 4.9%~5.75%，Ni 41.0%~43.5%，Ti 2.20%~2.75%，Al 0.30%~0.80%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的磁电回旋器，其特征在于，所述磁致伸缩矩形片的长度比所述压电陶瓷矩形片的长度略短，磁致伸缩矩形片的宽度与压电陶瓷矩形片的宽度一致，磁致伸缩矩形片的厚度与压电陶瓷矩形片的厚度略薄。
4.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的磁电回旋器，其特征在于，所述磁致伸缩矩形片的长、宽和高分别为38mm、6mm和0.8mm，所述压电陶瓷矩形片的长、宽和高分别为40mm、6mm和1mm。
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