RU104375U1

RU104375U1 - NARROW-BAND MAGNETOELECTRIC VOLTAGE TRANSFORMER

Info

Publication number: RU104375U1
Application number: RU2010144897/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Филиппов; Таисия Андреевна Галкина
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-05-10

Abstract

Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения, представляющий структуру из катушки индуктивности и конденсатора, отличающийся тем, что катушка индуктивности намотана на магнитоэлектрический конденсатор, диэлектриком которого является объемный феррит-пьезоэлектрический композиционный материал в форме пластинки, геометрические размеры которой соответствуют условию механического резонанса, причем конденсатор включен во входную цепь, а выходное напряжение снимается с катушки индуктивности. A narrow-band magnetoelectric voltage transformer representing a structure of an inductor and a capacitor, characterized in that the inductor is wound on a magnetoelectric capacitor, the dielectric of which is a bulk ferrite-piezoelectric composite material in the form of a plate, the geometric dimensions of which correspond to the condition of mechanical resonance, and the capacitor is included in the input circuit, and the output voltage is removed from the inductor.

Description

Полезная модель относится к электронике и может быть использована в радиотехнике для преобразования переменного напряжения определенной частоты. Работа узкополосного магнитоэлектрического трансформатора напряжения основана на резонансном увеличении инверсного магнитоэлектрического эффекта.The utility model relates to electronics and can be used in radio engineering to convert an alternating voltage of a certain frequency. The operation of a narrow-band magnetoelectric voltage transformer is based on a resonant increase in the inverse magnetoelectric effect.

В классическом исполнении трансформатор напряжения состоит из магнитопровода, с намотанными на него двумя электрическими обмотками. Передача энергии из одной цепи в другую производится благодаря явлению взаимной индукции [см. Л.А.Бессонов "Теоретические основы электротехники". Издание девятое переработанное и дополненное. Москва, "Высшая школа", 1996 г., 639 с.]. Коэффициент трансформации определяется только соотношением количества витков упомянутых обмоток (за вычетом потерь).In the classic version, the voltage transformer consists of a magnetic circuit, with two electrical windings wound around it. Energy is transferred from one circuit to another due to the phenomenon of mutual induction [see LABessonov "Theoretical foundations of electrical engineering." The ninth edition is revised and supplemented. Moscow, Higher School, 1996, 639 pp.]. The transformation coefficient is determined only by the ratio of the number of turns of the mentioned windings (minus losses).

Многофункциональность трансформаторов, различные принципиальные схемы и конструкции приборов, в которых они применяются, обусловили большое их разнообразие по электрическим и конструктивным данным.The multifunctionality of transformers, the various circuit diagrams and the design of the devices in which they are used, have led to their great diversity in electrical and structural data.

К общим недостаткам трансформаторов следует отнести громоздкость элементов конструкции, связанную с наличием двух обмоток - первичной и вторичной.The common disadvantages of transformers include the bulkiness of structural elements associated with the presence of two windings - primary and secondary.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является магнитоэлектрический трансформатор, содержащий слоистую структуру, состоящую из механически связанных между собой пьезоэлектрической и двух магнитострикционных пластинок и намотанную на них катушку индуктивности. На торцевые поверхности пьезоэлектрической пластинки нанесены тонкие металлические контакты. [cм. S.Dong, J.F.Li, D.Viehland, J.Cheng, L.E.Cross A strong magnetoelectric voltage gain effect in magnetostrictiv-piezoelectric composite // Applied Physics Letters, 2004, v.85, №16, p.3534].The closest technical solution adopted for the prototype is a magnetoelectric transformer containing a layered structure consisting of mechanically interconnected piezoelectric and two magnetostrictive plates and an inductor wound on them. Thin metal contacts are applied to the end surfaces of the piezoelectric plate. [see S. Dong, J. F. Li, D. Viehland, J. Cheng, L. E. Cross A strong magnetoelectric voltage gain effect in magnetostrictive piezoelectric composite // Applied Physics Letters, 2004, v. 85, No. 16, p. 3534].

Недостатком прототипа является то, что входной цепью прибора является катушка индуктивности с малым активным сопротивлением, вследствие чего во входной цепи протекает большой электрический ток, приводящий к значительным потерям энергии. Кроме того, диэлектрик конденсатора выполнен в виде трехслойной структуры, состоящей из механически связанных между собой двух ферритовых и одной пьезоэлектрической пластинок, что создает трудности при изготовлении и снижает механическую прочность структуры. Задачей полезной модели является упрощение конструкции прибора, снижение электрических потерь во входной цепи и выделение узкой полосы преобразования напряжения.The disadvantage of the prototype is that the input circuit of the device is an inductor with low active resistance, as a result of which a large electric current flows in the input circuit, resulting in significant energy losses. In addition, the capacitor dielectric is made in the form of a three-layer structure consisting of two ferrite and one piezoelectric plates mechanically interconnected, which creates difficulties in manufacturing and reduces the mechanical strength of the structure. The objective of the utility model is to simplify the design of the device, reduce electrical losses in the input circuit and highlight a narrow voltage conversion band.

Для решения данной задачи предложен узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения, состоящий из катушки индуктивности, намотанной на конденсатор, диэлектриком которого является образец из феррит-пьезоэлектрического композита в форме пластинки, геометрические размеры которой соответствуют условию механического резонанса.To solve this problem, a narrow-band magnetoelectric voltage transformer is proposed, consisting of an inductor wound around a capacitor, the dielectric of which is a sample of a ferrite-piezoelectric composite in the form of a plate, the geometric dimensions of which correspond to the condition of mechanical resonance.

Для пояснения предлагаемой полезной модели предложен чертеж, где изображен общий вид магнитоэлектрического трансформатора напряжения.To explain the proposed utility model, a drawing is proposed, which shows a general view of a magnetoelectric voltage transformer.

Устройство представляет собой магнитоэлектрический конденсатор, изготовленный из композиционного феррит-пьезоэлектрического материала в форме пластинки 1, на нижней и верхней поверхности которого нанесены тонкие металлические контакты 2, предназначенные для подачи входного сигнала. На конденсатор намотана катушка индуктивности 3, содержащая N витков.The device is a magnetoelectric capacitor made of a composite ferrite-piezoelectric material in the form of a plate 1, on the lower and upper surface of which thin metal contacts 2 are applied, designed to supply an input signal. An inductor 3 containing N turns is wound around the capacitor.

Устройство работает следующим образом: к электродам прикладывается переменное напряжение частотой f, создающее в пьезоэлектрической фазе вынужденные механические деформации. Эти деформации, посредством механического взаимодействия, передаются в ферритовую подсистему, где, вследствие магнитострикции, возникает переменная намагниченность, приводящая к изменению магнитного потока, пронизывающего намотанную на образец катушку, что приводит к возникновению ЭДС индукции. При совпадении частоты входного электрического напряжения с частотой механического резонанса пластинки наступает резонансное увеличение амплитуды вынужденных колебаний, приводящее к пиковому увеличению амплитуды выходного напряжения. Полоса частот, соответствующая резонансному увеличению выходного напряжения, определяется добротностью структуры, а резонансная частота f_res связана с длиной пластинки L соотношением где ρ - плотность пластинки, s₁₁ - модуль податливости.The device operates as follows: an alternating voltage of frequency f is applied to the electrodes, which creates forced mechanical deformations in the piezoelectric phase. These deformations, through mechanical interaction, are transferred to the ferrite subsystem, where, due to magnetostriction, a variable magnetization occurs, leading to a change in the magnetic flux penetrating the coil wound on the sample, which leads to the appearance of induction emf. When the frequency of the input electrical voltage coincides with the frequency of the mechanical resonance of the plate, a resonant increase in the amplitude of the forced oscillations occurs, leading to a peak increase in the amplitude of the output voltage. The frequency band corresponding to the resonant increase in the output voltage is determined by the quality factor of the structure, and the resonant frequency f _res is related to the plate length L by the ratio where ρ is the density of the plate, s ₁₁ is the modulus of compliance.

В отличие от прототипа, магнитоэлектрическая система представляет собой не трехслойную структуру, а объемный феррит-пьезоэлектрический композит, что приводит к упрощению конструкции и улучшению ее механических свойств. Длина пластинки имеет не произвольные, а жестко связанные с частотой размеры что обеспечивает резонансное увеличение эффекта и выделение узкой полосы частот преобразования напряжения. Кроме того, управление осуществляется не магнитным, а электрическим полем, что позволяет заменить катушку индуктивности во входной цепи на конденсатор малой емкости, что приводит к уменьшению потерь энергии.Unlike the prototype, the magnetoelectric system is not a three-layer structure, but a bulk ferrite-piezoelectric composite, which leads to a simplification of the design and improvement of its mechanical properties. The length of the plate is not arbitrary, but rigidly related to frequency. which provides a resonant increase in the effect and the allocation of a narrow frequency band of voltage conversion. In addition, the control is carried out not by a magnetic field, but by an electric field, which allows replacing the inductor in the input circuit with a small capacitor, which leads to a reduction in energy loss.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет упростить конструкцию прибора, выделить узкую полосу преобразования напряжения и уменьшить потери энергии во входной цепи.Thus, the proposed utility model allows to simplify the design of the device, highlight a narrow strip of voltage conversion and reduce energy loss in the input circuit.

Claims

A narrow-band magnetoelectric voltage transformer representing a structure of an inductor and a capacitor, characterized in that the inductor is wound on a magnetoelectric capacitor, the dielectric of which is a bulk ferrite-piezoelectric composite material in the form of a plate, the geometric dimensions of which correspond to the condition of mechanical resonance, and the capacitor is included in the input circuit, and the output voltage is removed from the inductor.