高机械品质因数磁电回旋器件的功率转换效率研究

发布时间：2020-07-15 12:24

【摘要】：理想磁电回旋器因兼具无源、线性和无损耗等突出优点,能够实现I-V/V-I的直接转换并伴随着感性/容性网络的非互易转换,可以取代雷达通信转换器、循环器以及隔离器等器件中的关键模块有利于器件的高频信号转换以及微小化发展。尽管在以往的报道中关于磁电回旋器的研究在实验以及理论对其功率转换效率方面取得了重要突破。然而,报道的磁电回旋器研究选用的磁致伸缩材料与压电材料的有效机械品质因数Q值偏低而制约磁电回旋器功率转换效率进一步提升。针对这一问题,提出并设计一种由铁镍基恒弹性合金(Ni-Fe-Cr,Q_m=1082)和压电材料(PZT8,Q_P=1200)层合的2-2型磁电回旋器,通过提高其有效品质因数,实现了高效功率转换效率。所设计的“三明治”结构Ni-Fe-Cr/PZT8/Ni-Fe-Cr的双端口四线制磁电回旋器中,这两种高Q值材料工作在谐振时产生高效的动态磁-机-电转换(194V/(cm Oe))得益于其较高的有效品质因数(Q=1080)。因此,这种方法能够有效地减小磁-机-电转换过程中的能量损耗,提高了磁电回旋器的功率转换效率。本文通过搭建自动测试系统完成对样品的动态磁-机特性、低频/谐振磁电响应以及功率传输特性的表征,本文设计的磁电回旋器件在较低的输入功率密度(3.31μW/cm~3)时,实现了88.5%的功率转换效率。相关研究的进展和突破,不仅加速了紧凑型、无源、非互易性功能化磁电固体器件的实现,而且在信号传输、阻抗匹配以及功率传输等方面有潜在应用。
【学位授予单位】：郑州轻工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH139
【图文】：

原理图,回旋器,原理图,磁电

图 1-1 回旋器原理图磁电复合材料的出现为 4 线 2 端口磁电回旋器件的一条新的途径。同时由于压磁/压电磁电复合材料因等多个凝聚态物理范畴的交叉与融合。近年来在磁件、新型信息存储以及磁电回旋器件等领域蕴藏着件的体积小，结构简单且高效的功率转换效率等优传输设备的小型化、集成化以及低损耗的要求。现状者广泛关注多铁材料，其主要原因是它在多功能电中具有巨大的应用前景[2-5]。多铁材料具有多种铁性[磁性等。磁电材料是一种典型的多铁材料，具有包合功能，其中正磁电效应指在外加磁场的影响下产加电场的影响下产生磁矩的改变。随着磁电复合材

关系曲线,磁致伸缩系数,外加磁场,预应力

图 2-1 不同预应力下超磁致伸缩系数与外加磁场关系曲线[65])磁滞特性磁材料的一个基本特性是会产生磁滞现象，同理对于磁致伸缩材料也会产现象，正如图 2-1 所示。由于磁致伸缩材料的磁滞会使曲线变成非线性且，因此不利于开发线性的应用器件。这样的特性会损耗了器件的使用寿命象无法彻底根除，为了减弱磁滞现象，利用施加适当的预压应力或偏置场现，从而在一定程度上延长应用器件的使用寿命[66]。)ΔE 效应磁材料弹性模量 E 具有随外加磁场变化而改变的特性被称为 ΔE 效应定缩材料能量密度的变化随着弹性模量变化而改变，对应用换能器件来说引起磁致伸缩换能器的能量转换和输出特性变化，因此，在设计应用器件E 效应对其功能特性的影响。另一方面，ΔE 效应能够应用于频率可控的线等新型器件[64]。

形状效应,铁磁体,退磁因子

图 2-2 自发磁致伸缩用对铁磁体的内部产生一定的影响，当它在居里温状态的单畴，自身可以发生自发磁化现象，然而，的耦合作用，只有退磁能为( ) 22NM VS，其中N 的直径）是退磁因子，M 是磁化强度，S 是铁磁体在磁化方向伸长能够降低退磁能和减小退磁因子们产生的数量要小于其他磁致伸缩[49]。致伸缩现象有两种方法：一种是其内部固有的自发磁化，场。一般情况，给予铁磁体外部施加的磁场，产生没有外部施加磁场以及外应力的作用，铁磁体内部及原子磁矩交换能、和退磁能）的最小值决定其状态所诱发的退磁能打破原来的磁化状态，且增

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