RU2642497C1

RU2642497C1 - Magnetoelectric current-voltage transducer with frequency doubling

Info

Publication number: RU2642497C1
Application number: RU2016141177A
Authority: RU
Inventors: Татьяна Олеговна Фирсова; Дмитрий Александрович Филиппов
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-01-25

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: transducer is a structure of a capacitor, the plates of which are made of magnetostrictive metal and mechanically connected to a piezoelectric plate inside and to an inductance coil wound on it, and of a magnetic core, made in the form of two U-shaped plates closely adjacent to the magnetostrictive plates, that ensures the magnetic flux closure. The input signal is the current of the inductance coil, and the output signal is taken from the capacitor plates.

EFFECT: to ensure the transducer's operation, it is not required to create a bias field, and it contains a magnetic core that ensures the magnetic flux closure, which leads to a reduction in energy losses.

1 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования тока в напряжение с одновременным удвоением частоты выходного сигнала.The invention relates to electronics and can be used in AC circuits for converting current into voltage while doubling the frequency of the output signal.

Известен преобразователь ток - напряжение, использующий принцип измерения падения напряжения на образцовом резисторе, содержащий блок образцовых резисторов для преобразования тока в напряжение и ключи для переключения поддиапазонов преобразования тока.Known current-voltage converter, using the principle of measuring the voltage drop across the model resistor, containing a block of model resistors for converting current into voltage and switches for switching sub-ranges of current conversion.

Недостатком подобных устройств является высокое входное сопротивление и большие потери, связанные с выделением энергии при протекании тока через резистор.The disadvantage of such devices is the high input resistance and large losses associated with the release of energy during the flow of current through the resistor.

Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип магнитоэлектрический трансформатор, состоящий из конденсатора, представляющего собой слоистую структуру, состоящую из механически связанных между собой пьезоэлектрической и двух магнитострикционных пластинок, и намотанную на него катушку индуктивности [см. 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. 83, №16, p. 1354].The closest in technical solution is the magnetoelectric transformer adopted as a prototype, consisting of a capacitor, which is a layered structure consisting of piezoelectric and two magnetostrictive plates mechanically interconnected, and an inductor wound on it [see 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. 83, No. 16, p. 1354].

В основу работы прототипа положен линейный магнитоэлектрический эффект, который заключается в возникновении электрического поля в магнитоэлектрической структуре под действием переменного магнитного поля при наличии поля подмагничивания.The prototype is based on a linear magnetoelectric effect, which consists in the appearance of an electric field in the magnetoelectric structure under the influence of an alternating magnetic field in the presence of a magnetization field.

Недостатком прототипа является то, что для работы устройства необходимо наличие поля подмагничивания, которое создается либо постоянными магнитами, либо дополнительной катушкой индуктивности, что усложняет конструкцию прибора. Кроме того, отсутствие магнитопровода приводит к тому, что магнитная цепь является разомкнутой, что приводит к рассеянию магнитного потока и потерям энергии.The disadvantage of the prototype is that for the operation of the device requires the presence of a bias field, which is created either by permanent magnets, or an additional inductor, which complicates the design of the device. In addition, the absence of a magnetic circuit leads to the fact that the magnetic circuit is open, which leads to the scattering of the magnetic flux and energy loss.

Задачей изобретения является упрощение конструкции прибора и снижение потерь энергии.The objective of the invention is to simplify the design of the device and reduce energy loss.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитоэлектрическом преобразователе ток - напряжение с удвоением частоты, представляющем собой структуру из конденсатора, обкладками которого являются изготовленные из магнитострикционного металла пластины, механически связанные с расположенной внутри них пьезоэлектрической пластиной и намотанной на него катушкой индуктивности, и магнитопровода, конструкция магнитопровода выполнена в виде двух П-образных пластин, вплотную примыкающих к магнитострикционным пластинам, что обеспечивает замыкание магнитного потока, при этом входным сигналом является ток катушки индуктивности, а выходной сигнал снимается с обкладок конденсатора.The task is achieved in that in the magnetoelectric transducer, the current is voltage with frequency doubling, which is a structure made of a capacitor, the plates of which are plates made of magnetostrictive metal, mechanically connected with the piezoelectric plate located inside them and the inductor wound around it, and the magnetic circuit, design the magnetic circuit is made in the form of two U-shaped plates adjacent to the magnetostrictive plates, which ensures the closure of the magnetic flux, while the input signal is the current of the inductor, and the output signal is removed from the capacitor plates.

Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты, состоящий из конденсатора, катушки индуктивности и магнитопровода.To solve this problem, a magnetoelectric current-voltage converter with frequency doubling, consisting of a capacitor, an inductor and a magnetic circuit, is proposed.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложен чертеж, где схематично изображен общий вид магнитоэлектрического преобразователя ток - напряжение с удвоением частоты.To explain the invention, a drawing is proposed, where a general view of a magnetoelectric current-voltage converter with frequency doubling is schematically shown.

Устройство представляет собой магнитоэлектрический конденсатор, обкладками которого являются пластины 1, изготовленные из магнитострикционного металла, которые механически связаны с пьезоэлектрической пластиной 2, расположенной внутри них, намотанной на конденсатор катушкой индуктивности 3, и магнитопровода 4.The device is a magnetoelectric capacitor, the plates of which are plates 1 made of magnetostrictive metal, which are mechanically connected with a piezoelectric plate 2 located inside them, an inductor 3 wound on a capacitor, and a magnetic circuit 4.

В основе работы устройства лежит нелинейный магнитоэлектрический эффект. Известно, что в результате квадратичного магнитоэлектрического эффекта происходит преобразование магнитного поля в электрическое, величина которого пропорциональна квадрату напряженности переменного магнитного поля [см. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова Нелинейный магнитоэлектрический эффект в композиционных мультиферроиках // Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 5 с. 944-948]. Вследствие квадратичности эффекта выходная частота выходного сигнала удваивается. Нелинейный магнитоэлектрический эффект, в отличие от линейного, проявляется и при отсутствии поля подмагничивания, что ведет к существенному упрощению конструкции по сравнению с прототипом.The device is based on a nonlinear magnetoelectric effect. It is known that as a result of a quadratic magnetoelectric effect, a magnetic field is converted into an electric field, the magnitude of which is proportional to the square of the intensity of the alternating magnetic field [see YES. Filippov, V.M. Laletin, T.O. Firsova Nonlinear magnetoelectric effect in composite multiferroics // Solid State Physics, 2014, Volume 56, no. 5 sec 944-948]. Due to the quadratic effect, the output frequency of the output signal doubles. The nonlinear magnetoelectric effect, in contrast to the linear one, is also manifested in the absence of a magnetization field, which leads to a significant simplification of the design compared to the prototype.

Входным сигналом является переменный ток, подаваемый на катушку индуктивности. Электрическое напряжение удвоенной частоты снимается с хорошо проводящих магнитострикционных слоев. Пьезоэлектрик конденсатора предварительно поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.The input signal is the alternating current supplied to the inductor. Double-frequency voltage is removed from well-conducting magnetostrictive layers. The capacitor piezoelectric is pre-polarized in the direction perpendicular to the plane of the plate.

Устройство работает следующим образом: на катушку индуктивности подается переменный ток I с частотой ƒ, создающий в катушке индуктивности переменное магнитное поле с напряженностьюThe device operates as follows: an alternating current I with a frequency подается is supplied to the inductor, creating an alternating magnetic field with an intensity in the inductor

,

где n=N/L - число витков на единицу длины. Здесь N - число витков катушки, L - ее длина. Наличие магнитопровода приводит к тому, что силовые линии магнитного поля замыкаются внутри устройства и не выходят наружу, что приводит к уменьшению потерь энергии вследствие рассеяния. Переменное магнитное поле создает в магнитострикционной фазе композита механические деформации и, как следствие, связанные с ними механические напряжения. В результате наличия квадратичной зависимости механических напряжений и деформаций от приложенного магнитного поля они будут с удвоенной частотой 2ƒ. Эти напряжения посредством механического взаимодействия между компонентами передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего происходит возникновение напряжения частотой 2ƒ, которое снимается с электродов [см. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова, Нелинейный магнитоэлектрический эффект в композиционных мультиферроиках // Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 5 с. 944-948].where n = N / L is the number of turns per unit length. Here N is the number of turns of the coil, L is its length. The presence of the magnetic circuit leads to the fact that the lines of force of the magnetic field are closed inside the device and do not go outside, which leads to a decrease in energy loss due to scattering. An alternating magnetic field creates mechanical strains in the magnetostrictive phase of the composite and, as a result, mechanical stresses associated with them. As a result of the presence of a quadratic dependence of mechanical stresses and strains on the applied magnetic field, they will be with a double frequency of 2ƒ. These voltages are transmitted through the mechanical interaction between the components to the piezoelectric phase, resulting in the appearance of a voltage of frequency 2ƒ, which is removed from the electrodes [see YES. Filippov, V.M. Laletin, T.O. Firsova, Nonlinear magnetoelectric effect in composite multiferroics // Solid State Physics, 2014, Volume 56, no. 5 sec 944-948].

В качестве магнитострикционной компоненты могут быть выбраны такие металлы, как никель и пермендюр, которые обладают большой магнитострикцией, и на при малых магнитных полях имеют квадратичную зависимость деформаций от напряженности магнитного поля [см. Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Srinivasan G. Sreenivasulu G. Nonlinear magnetoelectric effects in planar ferromagnetic-piezoelectric structures // JMMM. - 2014. - V. 358 - 59. - P. 98-104].As the magnetostrictive component, metals such as nickel and permendure, which have high magnetostriction and, at low magnetic fields, have a quadratic dependence of the strains on the magnetic field strength [see Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Srinivasan G. Sreenivasulu G. Nonlinear magnetoelectric effects in planar ferromagnetic-piezoelectric structures // JMMM. - 2014. - V. 358 - 59. - P. 98-104].

В отличие от прототипа, для работы устройства не требуется подмагничивающих полей, что упрощает конструкцию прибора, а наличие магнитопровода снижает потери энергии, связанные с рассеянием магнитного поля. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить его функциональность и повысить его эффективность действия.Unlike the prototype, the device does not require magnetizing fields, which simplifies the design of the device, and the presence of the magnetic circuit reduces the energy loss associated with the scattering of the magnetic field. Thus, the present invention can significantly simplify the design of the device, increase its functionality and increase its effectiveness.

Claims

A magnetoelectric current-voltage converter with frequency doubling, which is a structure made of a capacitor, the plates of which are plates made of magnetostrictive metal, mechanically connected to the piezoelectric plate located inside them and an inductor wound around it, and a magnetic circuit, characterized in that the magnetic circuit design is made in in the form of two U-shaped plates adjacent to magnetostrictive plates, which ensures the closure of the magnetic current, wherein the input signal is the inductor current and the output signal is taken from the capacitor plates.