CC BY
77
УДК 621.31
КОЛЬЦЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНВЕРСНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Д.А.Филиппов, Т.А.Галкина, О.В.Антоненков, Г.С.Радченко* RING VOLTAGE CONVERTER BASED ON INVERSE MAGNETOELECTRIC EFFECT
D.A.Filippov, T.A.Galkina, O.V.Antonenkov, G.S.Radchenko*
Политехнический институт НовГУ, Dmitry.Filippov@novsu.ru * Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону
Представлены структура и принцип работы магнитоэлектрического преобразователя напряжения, в основу которого положен инверсный магнитоэлектрический эффект. Преобразователь напряжения состоит из конденсатора, представляющего собой кольцевую структуру, диэлектриком которого является композиционный магнитоэлектрический материал с намотанной на него катушкой индуктивности. Дополнительно к структуре подключен внешний конденсатор. Это позволяет одновременно использовать катушку индуктивности и для снятия выходного сигнала, и для создания поля подмагничивания. Ключевые слова: преобразователь напряжения, трансформатор, магнитострикция, пьезоэлектричество, инверсный магнитоэлектрический эффект
The article presented the structure and operation concept of a magnetoelectric voltage converter which is based on the inverse magnetoelectric effect. The voltage converter consists of the ringed capacitor along with the composite magnetoelectric dielectric inside it. The inductance coil has been wound around it. An additional external capacitor is joined up to the coil wire. It makes possible the usage of the inductor coil both for recording the signal output and for the magnetic bias field generation. Keywords: voltage converter, transformer, magnetostriction, piezoelectricity, inverse magnetoelectric effect
Введение
Инверсный, или обратный, магнитоэлектрический (МЭ) эффект заключается в создании магнитного потока и изменении намагниченности под действием электрического поля. С практической точки зрения этот эффект представляет интерес, поскольку на его основе можно создать преобразователь напряжения (трансформатор), имеющий, в отличие от классического, всего одну обмотку [1,2].
Ранее в работах [2-7] также рассматривался принцип работы и конструкции МЭ трансформаторов. В работах [3,4] рассматривался МЭ трансформатор, в основе работы которого был положен принцип работы пьезоэлектрического трансформатора, управление свойствами которого, в частности резонансной частотой, осуществлялось при воздействии на магнитострикционную компоненту постоянным магнитным полем. Изменение резонансной частоты в такой структуре происходит вследствие так называемого дельта-Е эффекта [8], т.е. изменения в магнитном поле модуля Юнга. Присутствие магнитострикционной фазы позволяет управлять характеристиками МЭ трансформатора, однако ее наличие приводит к значительному ухудшению характеристик таких структур по сравнению с обычными пьезоэлектрическими трансформаторами. Так, например, наличие в структуре пьезоэлектрического трансформатора магнитострикционной пластинки из D-терфенола толщиной 2,51 мм уменьшает коэффициент преобразования напряжения к—Uout /Ujn , где Uin — входное напряжение, а Uout — выходное напряжение, при резонансе в десятки раз, в частности
с 75 до 3,1 для первой моды колебаний и с 115 до 4,2 для второй моды колебаний [4].
В работе [5] исследовалась структура, где в качестве магнитострикционной фазы использовался сплав FeBSiC, а в качестве пьезоэлектрической фазы — пьезокерамика цирконат-титанат свинца (ЦТС). Входной цепью являлась катушка индуктивности, намотанная на слоистую структуру в виде пластинки. Использование в качестве входной цепи катушки индуктивности позволяет использовать такую структуру в качестве гиратора, т.е. преобразователя ток — напряжение. Однако использование такой структуры в качестве преобразователя напряжения является неэффективным, поскольку использование в качестве входной цепи катушки индуктивности приводит к большим потерям энергии.
В работах [1,2,7] предложены преобразователи напряжения на основе инверсного МЭ эффекта. При инверсном эффекте в пьезоэлектрической компоненте магнитоэлектрика под действием электрического поля возникают деформации, которые передаются в ферритовую фазу, где вследствие магнито-стрикции происходит изменение намагниченности. Главным недостатком этих трансформаторов является необходимость создания внешнего магнитного поля, для чего необходимо использовать либо дополнительные катушки индуктивности, либо постоянные магниты. В данной работе предложена конструкция трансформатора, в котором поле подмагни-чивания непосредственно создается той же катушкой индуктивности, с которой снимается выходной сигнал.
Структура и принцип работы преобразователя напряжения
Трансформаторы на основе инверсного МЭ эффекта с образцом в форме пластинки с намотанной на нее катушкой индуктивности были рассмотрены в работах [1,2,6,7]. Как известно, на так называемой полевой зависимости линейного МЭ эффекта имеется ярко выраженный максимум [9], поэтому для получения большей величины эффекта используют подмаг-ничивающее поле, соответствующее максимуму эффекта. Использование образца в форме пластинки не совсем оправдано, поскольку при этом происходит рассеяние создаваемого магнитного поля в пространстве, что приводит к потерям энергии. С энергетической точки зрения гораздо более выгодной является кольцевая структура, поскольку при этом силовые линии магнитного поля замыкаются внутри композиционного материала и не происходит рассеяние энергии. Структура кольцевого преобразователя напряжения с подмагничиванием представлена на рис.1. Она состоит из включенного во входную цепь конденсатора, диэлектриком которого является объемный магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал в форме плоского кольца 1. На внутренней и внешней поверхности кольца нанесены тонкие металлические контакты 2, предназначенные для подачи входного сигнала. Диэлектрик конденсатора предварительно радиально поляризован при помощи подачи на обкладки конденсатора постоянного напряжения. На конденсатор намотана катушка индуктивности 3, содержащая N витков. Дополнительно к катушке индуктивности включен внешний конденсатор 4.
Рис.1. Схема кольцевого преобразователя напряжения. 1 — магнитоэлектрический диэлектрик, 2 — металлические контакты, 3 — катушка индуктивности, 4 — внешний конденсатор
Устройство работает следующим образом: на катушку индуктивности подается постоянное напряжение иЫа5, которое создает в кольцевой структуре поле подмагничивания. Величина напряжения подбирается таким образом, чтобы создаваемое поле соответствовало максимальному значению магнитоэлектрического эффекта. К входным электродам прикладывается переменное напряжение частотой / создающее в пьезоэлектрической фазе композита механические напряжения, что приводит к возникновению в структуре толщинных колебаний. Эти напряжения посредством механического взаимодействия между компонентами передаются в магнитострикционную
фазу, в результате чего происходит изменение намагниченности, приводящее к изменению магнитного потока, пронизывающего намотанную на образец катушку, что приводит к возникновению ЭДС индукции, которая снимается с конденсатора. Наличие конденсатора позволяет разделить переменный выходной сигнал Uout и постоянную составляющую иЫа:1, создающую поле подмагничивания. Это позволяет использовать катушку индуктивности и как выходную обмотку, и одновременно как катушку, создающую поле подмагничивания.
Можно показать, что выходное напряжение Uout будет связано с входным напряжением Uin следующим соотношением:
Uout = Шюав^иы, (1)
где ю = 2л/ — циклическая частота, к — высота кольца, а ж — коэффициент инверсного МЭ преобразования. Проводя выкладки аналогично проведенным в работе [10], для коэффициента инверсного МЭ преобразования получим следующее выражение:
авь =--1--1
(2)
533 v к
Здесь к = Ы /2 — безразмерный параметр, ё — толщина кольца, k = юл]р- 533 — волновое число. При выводе формулы (2) предполагалось, что ось 3 совпадает с направлением поляризации. Из формулы (2) для коэффициента трансформации kr = ПоШ/ип имеем:
К=^(т. _ц.
33
v к
(3)
Как следует из (3), в зависимость величины коэффициента трансформации от геометрических размеров преобразователя напряжения входит только длина средней линии. Таким образом, как и при поперечном эффекте для преобразователя напряжения в форме пластинки [10], величина коэффициента трансформации не зависит от толщины кольца.
В качестве оценки величины коэффициента трансформации возьмем типичную структуру, выполненную в форме кольца из объемного композиционного материала состава феррит-никелевая шпинель — цирконат-титанат свинца внешним диаметром Dl = 10 мм и внутренним D2 = 8 мм и толщиной к = 1 мм. При намотке медной проволокой диаметром ё = 0,3 мм в один ряд катушка будет иметь порядка N = 80 витков и сопротивление R = 0,12 Ом. Максимум величины инверсного МЭ эффекта наблюдается при составе 20% феррита, 80% пьезо-электрика в поле напряженностью Н = 0,38 кЭ [9]. Этому значению соответствует сила тока подмагни-чивания в обмотке, равная порядка I = 110 мА. Для создания такой силы тока необходимо приложить напряжение иЫа!! = 13 мВ. При подаче на вход переменного напряжения с частотой /= 300 кГц (нерезонансное значение), используя значение ав = 0,2 мГс • см/В [9] для коэффициента трансформации напряжения, получим значение порядка kr «10_3. Следовательно, такой трансформатор можно использовать как понижающий трансформа-
тор в цепях переменного тока. В случае, если геометрические размеры кольца будут соответствовать условию электромеханического резонанса, то его значение будет в Q раз больше. Добротность таких структур Q может достигать несколько тысяч. В этом случае такой трансформатор можно использовать как узкополосный повышающий трансформатор [11].
Заключение
Таким образом, использование кольцевой структуры позволяет исключить потери, связанные с рассеиванием магнитного поля в пространстве, а использование дополнительно включенного во входную цепь конденсатора позволяет использовать катушку индуктивности для снятия выходного напряжения и одновременно с этим и для создания поля подмагни-чивания.
1. Патент полезную модель № 99246 от 10.11.2010 г. Магнитоэлектрический преобразователь напряжения / Д.А.Филиппов, Т.А.Галкина.
2. Филиппов Д.А., Галкина Т.А., Лалетин В.М., Srinivasan G. Преобразователь напряжения на основе инверсного магнитоэлектрического эффекта // Письма в ЖТФ. 2012. Т.38, №2. С.82-86.
3. Wang Y., Wang F., Wing Or S. et al. Giant sharp converse magnetoelectric effect from the combination of a piezoelectric transformer with a piezoelectric/magnetostrictive laminated composite // Appl. Phys. Lett. 2008. V.93. P.113503(1-3).
4. Lu L., Gao Y.Y., Zhou J.P., et al. Adjusting the voltage step-up ratio of a magnetoelectric composite transformer // Chinese Sci. Bull. 2011. V.56. №7. P.700-703.
5. Dong S., Zhai J., Priya S. et al. Tunable features of magnetoelectric transformers // IEEE Trans. on Ultrason. and Freq. Contr. 2009. V.56. №6. P.1124-1127.
6. Радченко Г.С., Радченко М.Г. Наибольшая магнитоэлектрическая восприимчивость в композитных маг-нитострикционных пьезотрансформаторах, управляемая магнитным полем // Письма в ЖТФ. 2012. Т.38. Вып. 15. С. 8-24.
7. Соловьев А.Н. Трансформатор на основе обратного магнитоэлектрического эффекта // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2013. № 75. Т.1. С.33-34.
8. Srinivasan G., De Vreugd C.P., Laletin V.M., et al. Resonant magnetoelectric coupling in trilayers of ferromagnetic alloys and piezoelectric lead zirconate titanate: The influence of bias magnetic field // Phys. Rev. B. 2005. V.71. P.184423 (1-6).
9. Филиппов Д.А., Лалетин В.М., Srinivasan G. Низкочастотный и резонансный магнитоэлектрические эффекты в объемных композиционных структурах феррит никеля - цир-конат-титанат свинца // ЖТФ. 2012. Т.82. №1. С.47-51.
10. Филиппов Д.А., Галкина Т.А., Srinivasan G. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектри-
ческих структурах // Письма в ЖТФ. 2010. Т.36. Вып. 21. С.23-28.
11. Патент полезную модель №104375 от 10.05.2011 г. Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения / Д.А.Филиппов, Т.А.Галкина.
References
1. D.A. Filippov, T.A. Galkina. Magnitoelektricheskii preobra-zovatel' napriazheniia [Magnetoelectric voltage converter]. Patent RF, no. 99246 , 2010.
2. D.A. Filippov, T.A. Galkina, V.M. Laletin, G.Srinivasan. Preobrazovatel' napriazheniia na osnove inversnogo magnito-elektricheskogo effekta [Voltage transformer based on inverse magnetoelectric effect]. Pis'ma v ZhTF - Technical Physics Letters, 2012, no. 1, vol. 38, pp. 93-95.
3. Y. Wang, F. Wang, S. Wing Or, H.L.W. Chan, X. Zhao, H. Luo. Giant sharp converse magnetoelectric effect from the combination of a piezoelectric transformer with a piezoelec-tric/magnetostrictive laminated composite. Applied Physics Letters, 2008, vol. 93, no. 11, p. 113503(1-3).
4. L. Lu, Y.Y. Gao, J.P. Zhou, P. Wang, P. Liu, X.M. Chen. Adjusting the voltage step-up ratio of a magnetoelectric composite transformer. Chinese Science Bulletin, 2011, vol. 56, no. 7, pp. 700-703.
5. S. Dong, J. Zhai, S. Priya, J.-F. Li, D. Viehland. Tunable features of magnetoelectric transformers. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2009, vol. 56, no. 6, pp. 1124-1127.
6. G.S. Radchenko, M.G. Radchenko Naibol'shaia magnitoelek-tricheskaia vospriimchivost' v kompozitnykh magni-tostriktsionnykh p'ezotransformatorakh, upravliaemaia mag-nitnym polem [Maximum magnetoelectric susceptibility in composite magnetostrictive piezotransformers controlled by a magnetic field]. Pis'ma v ZhTF - Technical Physics Letters, 2012, vol. 38, no. 8, pp. 695-698.
7. Solov'ev A.N. Transformator na osnove obratnogo magnito-elektricheskogo effekta [Piezoelectric transformer with magnetic phase]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki -Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2013, no. 75, vol. 1, pp. 33-34.
8. G. Srinivasan, C.P.De Vreugd, V.M. Laletin, N. Paddubnaya, M.I. Bichurin, V.M. Petrov, D.A. Filippov. Resonant magne-toelectric coupling in trilayers of ferromagnetic alloys and piezoelectric lead zirconate titanate: The influence of bias magnetic field. Physical Review B, 2005, vol. 71, iss. 18, p. 184423 (1-6).
9. D.A. Filippov, V.M. Laletin, G. Srinivasan. Nizkochastotnyi i rezonansnyi magnitoelektricheskie effekty v ob"emnykh kompozitsionnykh strukturakh ferrit nikelia - tsirkonat-titanat svintsa [Low frequency and resonance magnetoelectric effects in nickel ferrite-PZT bulk composites]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics, 2012, vol. 57, no. 1, pp. 44-47.
10. D. A. Filippov, T. A. Galkina, G. Srinivasan. Inversnyi mag-nitoelektricheskii effekt v ferrit-p'ezoelektricheskikh struk-turakh [Inverse magnetoelectric effect in serrite-piezoelectric structures]. Pis'ma v ZhTF - Technical Physics Letters, 2010, vol. 36, no. 11, pp. 984-986.
11. D.A. Filippov, T.A. Galkina. Uzkopolosnyi magnitoelek-tricheskii transformator napriazheniia [Narrow-band magne-toelectric voltage transformer]. Patent RF, no. 104375, 2011.
