一种磁电回旋器及其功率转换效率测量装置的制作方法

本发明属于无源功率传输器件技术领域，具体涉及一种磁电回旋器及其功率转换效率测量装置。

背景技术：

磁电效应最早是由pcurie在1894年预言，并于1960-1961年在低温的反铁磁性cr2o3单晶中实际观测到的。磁电材料分为单相磁电材料和复合磁电材料。由于单相磁电材料的性能低，且居里温度低于室温，因此单相磁电材料在实际中得不到应用。将磁致伸缩材料与压电材料复合而成的复合材料由于乘积效应可以产生磁电效应，并且理论和实验证明，磁电复合材料在室温下所获得的磁电性能比单相材料高1~2个数量级。其中，将压电材料与磁致伸缩材料通过层状复合的方式结合在一起的层状磁电复合材料具有磁电效应高、结构设计简单、制备工艺成熟、易于电极化的特点。

理想回旋器是一种无源、线性、非互易性的新型双端口元件，其特性表现为能将一端口上的电压（或电流）“回转”为另一端口的电流（或电压），同时也有更为明确的理论体系、实现方法和应用领域。利用回旋器的“回转”特性可以容易地将电容元件转变成电感元件，因而能够将大规模集成电路中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的组合所替代。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。现代紧凑型功率电子器件在诸如雷达、喷气式战斗机、无人机和武器系统等关键军事平台的广泛的应用，对器件的技术革新对器件尺寸、重量及功率消耗的降低提出了新的挑战。近年来随着对多铁复合材料研究的不断深入，磁电复合结构换能器为理想回旋器的实现提供了一种新的途径。

目前主要研究的层状磁电复合材料可以分为两类：一类是镍基或钴基铁氧体与压电材料组成的层状磁电复合材料。申请号为200510031923.4、专利名称为“具有磁电效应的镍/压电陶瓷层状复合材料及其制备方法”的中国发明专利，将镍取代铽镝铁合金，与压电陶瓷采用粘接的方法复合得到镍/压电陶瓷层状复合材料。这类材料有高的电阻率适合高频环境，但存在以下缺点：（1）材料制备工艺复杂，且磁电性能难以进一步提高；（2）材料的脆性很大、加工性能差；（3）材料表面需要涂覆电极。另一类是铽镝铁（tbdyfe）合金与压电陶瓷组成的层状复合材料。尽管此类材料具有最高的磁电电压系数，但存在以下不足之处：（1）材料具有高的脆性，加工性能差；（2）铽镝铁合金的制备与加工困难，材料价格高且难以获得小尺寸的铽镝铁合金薄片；（3）铽镝铁合金的磁致伸缩效应需要大的驱动磁场。

钙钛矿型锆钛酸铅（pb(zr0.52ti0.48)o3，简称pzt）常用作压电陶瓷材料，其种类繁多，如pzt-4、pzt-5及pzt-8，因其具有机电耦合系数高、性能稳定、成本低、易于掺杂改性等优点，成为应用最为广泛的压电材料。镍锌铁氧体（ni1-xznxfe2o4）是目前为止性能最好的高频软磁材料。镍锌铁氧体具有尖晶石型结构，它具有较高的磁导率和电阻率，频率范围在1khz～300mhz之间，因此它一般在高频范围内使用。镍锌铁氧体材料具有较宽的频宽和较低的传输损耗，常用于高频抗电磁干扰以及高频功率与抗干扰一体化的表面贴装器件，作为抗电磁干扰和射频干扰磁芯，也可以作为微波吸收材料以及飞行器的隐形涂层材料。授权公告号为cn101481107b的中国发明专利，公开了镍锌铁氧体（ni1-xznxfe2o4）包覆碳纳米管磁性纳米复合材料的制备方法，但没有对其应用进行进一步研究。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种磁电回旋器，其为非对称型的多层结构，与传统的基于电子电路的电流电压转换器相比，具有制备工艺简单，成本低，机械损耗低及较高的功率转换效率等优点，在紧凑型功率传输电子器件中有较高的潜在应用价值。本发明的另一目的是提供一种磁电回旋器的功率转换效率测量装置，电路结构简单，能够为磁电回旋器的结构选取及功率转换效率参数的选取问题提供一种技术思路。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种磁电回旋器，所述磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，所述磁电复合结构换能器为非对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料，所述线圈为铜质漆包线，所述磁致伸缩材料为ni1-xznxfe2o4，所述压电陶瓷材料为pzt-8，压电陶瓷材料与磁致伸缩材料的各层之间采用环氧树脂胶粘合。

进一步地，所述磁电复合结构换能器包括一层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料。

进一步地，所述磁电复合结构换能器包括两层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料。

进一步地，所述磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的单层层厚相同。

进一步地，所述压电陶瓷材料的上下表面覆盖有银电极。

进一步地，所述压电陶瓷材料位于磁电复合结构换能器的底层。

上述磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：（1）将切割好的磁致伸缩材料薄片经600#细砂纸打磨，并用丙酮清洗去表面杂质及氧化层后待用；（2）将压电陶瓷的银电极引出，用导电胶将铜质漆包线与银电极面涂抹均匀后放入80°c的恒温箱内4小时，取出后自然冷却至室温待用；（3）将引出银电极的压电陶瓷与磁致伸缩材料薄片用环氧树脂胶层合黏结后放入120°c的恒温箱内烘烤2h，即制成磁电复合结构换能器；（4）在磁电复合换能器上用铜质漆包线均匀密绕130匝，即制成磁电回旋器。

本发明还提供了一种磁电回旋器的功率转换效率测量装置，包括磁电复合结构换能器、线圈、两块永磁体、固定电阻、可变电阻箱、数字存储示波器、函数发生器及功率放大器，所述两块永磁体为磁电复合结构换能器提供静态偏置磁场；所述固定电阻与线圈串联组成磁电回旋器的功率转换效率测量装置的输入回路，所述函数发生器和功率放大器提供磁电回旋器的功率转换效率测量装置的输入信号；所述可变电阻箱与从磁电复合结构换能器中的压电陶瓷材料上下表面引出的两根导线并联组成磁电回旋器的功率转换效率测量装置的输出回路；所述数字存储示波器用来监测并记录输入回路的输入功率及输出回路的输出功率；所述线圈的两端作为磁电回旋器的功率转换效率测量装置的输入端口，从磁电复合结构换能器中的压电陶瓷材料的上下表面引出两根导线作为磁电回旋器的功率转换效率测量装置的输出端口。

进一步地，所述固定电阻的阻值为1ω。

上述磁电回旋器的功率转换效率装置的测量原理如下：将永磁体接入直流电源以在磁电回旋器周围形成静态偏置磁场，该测量装置的输入回路由一个阻值为1ω的固定电阻和磁电回旋器中的线圈串联而成，交流输入信号由函数发生器和功率放大器组合成的电流源提供，输入回路用来监测磁电回旋器的输入功率pin。监测固定电阻两端的电流可以得到输入电流，监测电流源两端的电压可以得到输入电压，通过数字存储示波器转换计算可直接读取到输入回路的输入功率pin。该测量装置的输出回路由可变电阻箱与从压电陶瓷材料上下表面引出的两根导线并联组成，将数字存储示波器的一路探头接入可变电阻箱的两端监测得到输出电压，通过数字存储示波器计算可直接读取到磁电回旋器带负载时的输出功率pout，那么磁电回旋器的功率转换效率（powerconversionefficiency，简称pe），则pe=pout/pin。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本发明磁电回旋器中的磁电复合结构换能器为非对称型的多层结构，磁电复合结构换能器中采用的磁致伸缩材料为镍锌铁氧体。磁电回旋器利用铁磁材料的磁致伸缩效应以及压电材料的压电效应并通过层间应变传递实现强磁电耦合，实现了磁场强度-电压之间双向转换功能，并且在较低外加磁场下保持较高的功率转换效率，而且进一步减小了器件的体积，具有制备工艺简单，成本低，机械损耗低及较高的功率转换效率等优点，在紧凑型功率传输电子器件中有较高的潜在应用价值。

2.本发明提供的一种磁电回旋器的功率转换效率测量装置，其电路结构简单，通过测量得出：在相同的谐振频率下，三层结构且中间层为nife2o4时的磁电复合结构换能器相比三层结构且中间层为ni0.9zn0.1fe2o4时的磁电复合结构换能器，其磁电回旋器的功率转换效率高；在相同的功率转换效率时，三层结构且中间层为nife2o4时的磁电复合结构换能器相比三层结构且中间层为ni0.9zn0.1fe2o4时的磁电复合结构换能器，其磁电回旋器的谐振频率高。因此，该测量装置可以为磁电回旋器的结构选取及功率转换效率参数的选取问题提供一种技术思路。

附图说明

图1是本发明一种磁电回旋器中磁电复合结构换能器为两层结构的结构示意图。

图2是本发明一种磁电回旋器中磁电复合结构换能器为三层结构的结构示意图。

图3是本发明一种磁电回旋器的功率转换效率测量装置。

图4是本发明四种磁电回旋器的功率转换效率pe随负载电阻rl变化的关系曲线图。

图5本发明实施例5中含有pzt-nfo两层结构、pzt-nfo-nzfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率与其功率转换效率的关系对比图。

图6本发明实施例5中含有pzt-nzfo两层结构、pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率与其功率转换效率的关系对比图。

附图中标号：11为线圈，12为压电陶瓷材料，13为磁致伸缩材料，1为磁电回旋器，2为永磁体，3为固定电阻，4为可变电阻箱，5为数字存储示波器，6为函数发生器，7为功率放大器。

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。

实施例1

如图1所示，磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，其中磁电复合结构换能器为非对称型的两层结构，磁电复合结构换能器包括一层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料。底层压电陶瓷材料为pzt-8，其长、宽、高分别为40mm、5mm及0.5mm，pzt-8的上下表面覆盖有银电极；当x=0时，上层磁致伸缩材料为nife2o4（简称nfo），其长、宽、高分别为35mm、5mm及0.5mm。底层pzt-8的长度略长于上层nfo的长度，以便于从pzt-8的上下表面引出银电极。线圈选用铜质漆包线，压电陶瓷材料与磁致伸缩材料之间采用环氧树脂胶粘合。

磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：（1）将切割好的上述尺寸的nfo薄片经600#细砂纸打磨，去除表面氧化层后用丙酮清洗；（2）将pzt-8的银电极引出，用导电胶将铜质漆包线与银电极面涂抹均匀后放入80°c的恒温箱内，放置4小时，取出后自然冷却至室温待用；（3）将引出银电极的pzt-8与nfo薄片用环氧树脂胶层合黏结后放入120°c的恒温箱内烘烤2h，即制成pzt-nfo两层结构的磁电复合结构换能器；（4）在磁电复合换能器上用铜质漆包线均匀密绕130匝，即制成含有pzt-nfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器。

实施例2

如图1所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：当x=0.1时，上层磁致伸缩材料为ni0.9zn0.1fe2o4（简称nzfo），其长、宽、高分别为35mm、5mm及0.5mm；步骤（4）中得到的是含有pzt-nzfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器。

实施例3

如图2所示，磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，磁电复合结构换能器为非对称型的三层结构，磁电复合结构换能器包括两层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料。底层压电陶瓷材料为pzt-8，其长、宽、高分别为40mm、5mm及0.5mm；上层磁致伸缩材料由下至上分别为nfo和nzfo，其长、宽、高均分别为35mm、5mm及0.5mm。下层压电陶瓷材料略长于上层磁致伸缩材料。底层pzt-8的长度略长于上层nfo的长度，以便于从pzt-8的上下表面引出银电极。线圈选用铜质漆包线，压电陶瓷材料与磁致伸缩材料之间采用环氧树脂胶粘合。

磁电回旋器的制备方法包括以下步骤：（1）将切割好的上述尺寸的nfo薄片及nzfo薄片经600#细砂纸打磨，去除表面氧化层后用丙酮清洗；（2）将pzt-8的银电极引出，用导电胶将铜质漆包线与银电极面涂抹均匀后放入80°c的恒温箱内，放置4小时，取出后自然冷却至室温待用；（3）将引出银电极的pzt-8、nfo薄片及nzfo薄片用环氧树脂胶层合黏结后放入120°c的恒温箱内烘烤2h，即制成pzt-nfo-nzfo三层结构的磁电复合结构换能器；（4）在磁电复合换能器上用铜质漆包线均匀密绕130匝，即制成含有pzt-nfo-nzfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器。

实施例4

如图2所示，本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：上层磁致伸缩材料由下至上分别为nzfo和nfo，其长、宽、高均分别为35mm、5mm及0.5mm；步骤（4）中得到的是含有pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器。

实施例5

如图3所示，一种磁电回旋器的功率转换效率测量装置，包括磁电复合结构换能器、线圈、两块永磁体2、固定电阻3、可变电阻箱4、数字存储示波器5、函数发生器6及功率放大器7。磁电复合结构换能器及均匀围绕在其外围的线圈构成磁电回旋器1，磁电复合结构换能器为非对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩材料和一层的压电陶瓷材料。将两块永磁体2置于磁电回旋器1的两侧为磁电复合结构换能器提供静态偏置磁场；固定电阻3与线圈串联组成磁电回旋器1的功率转换效率测量装置的输入回路，函数发生器6和功率放大器7提供磁电回旋器1的功率转换效率测量装置的输入信号；可变电阻箱4与从磁电复合结构换能器中的压电陶瓷材料上下表面引出的两根导线并联组成磁电回旋器1的功率转换效率测量装置的输出回路；数字存储示波器5用来监测并记录输入回路的输入功率及输出回路的输出功率；线圈的两端作为磁电回旋器1的功率转换效率测量装置的输入端口，从磁电复合结构换能器中的压电陶瓷材料的上下表面引出两根导线作为磁电回旋器功率转换效率测量装置的输出端口，故该磁电回旋器为四线-双端口的磁电回旋器。

实验中所用可变电阻箱4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5的型号为tds2012，美国泰克科技有限公司；函数发生器6的型号为：afg3021b，购自美国泰克科技有限公司；功率放大器7的型号为signalrecovery5113，购自美国阿美泰克有限公司。

测量时，本实施例所用磁电回旋器为实施例1~4中得到的含有pzt-nfo两层结构、含有pzt-nzfo两层结构、含有pzt-nfo-nzfo三层结构及含有pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的四种磁电回旋器。

测量原理如下：将永磁体接入直流电源以在磁电回旋器周围形成静态偏置磁场，即hbias=42oe，该测量装置的输入回路由一个阻值为1ω的固定电阻3和磁电回旋器1中的线圈串联而成，交流输入信号由函数发生器6和功率放大器7组合成的电流源提供，输入回路用来监测磁电回旋器的输入功率pin。监测固定电阻3两端的电流可以得到输入电流，监测电流源两端的电压可以得到输入电压，通过数字存储示波器5转换计算可直接读取到输入回路的输入功率pin。该测量装置的输出回路由可变电阻箱4与从压电陶瓷材料上下表面引出的两根导线并联组成，将数字存储示波器5的一路探头接入可变电阻箱4的两端监测得到输出电压，通过数字存储示波器5计算可直接读取到磁电回旋器带负载时的输出功率pout，那么磁电回旋器的功率转换效率pe=pout/pin。

测量过程中主要测量2个关系图：

（1）由于压电陶瓷是容性器件，因此需要选择合适阻值的负载电阻rl与阻抗达到匹配，本发明中负载电阻rl即为功率转换效率测量装置中的可变电阻箱4。而当磁电回旋器的功率转换效率pe最大时，其能量损耗最小，即确定了输出回路发生谐振的谐振频率，就可确定功率转换效率pe达到最大值时，可变电阻箱4的阻值即为负载电阻rl的大小。

测量时，先调节函数发生器6的激励频率，达到改变频率的目的，用数字存储示波器5找到实施例1~4所得磁电复合结构换能器的谐振频率分别为53.6khz、62khz、50.1khz及57.2khz，再接上可变电阻箱4并固定上述谐振频率，改变可变电阻箱4的阻值，改变一次可变电阻箱4的阻值从示波器读出一组pin和pout的数值，从而得到实施例1~4所得的四种磁电回旋器的功率转换效率pe随着负载电阻rl的变化曲线，如图4所示，四种磁电回旋器的功率转换效率pe最大值均出现在rl=700ω时。

（2）由于磁电复合结构换能器在某一频率下会发生谐振，因此磁电回旋器的功率转换效率pe会随着谐振频率f的增加发生会改变，即pe是f的函数。测量时，固定可变电阻箱4的阻值为700ω，改变函数发生器6的激励频率，并使输入信号固定在某个谐振频率下，改变一次激励频率从示波器读出一组pin和pout的数值，然后计算磁电回旋器的功率转换效率pe，得到谐振频率与其功率转换效率的关系对比图，结果如图5和图6所示。

图5为含有pzt-nfo两层结构、pzt-nfo-nzfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率与其功率转换效率的关系对比图。参考图5可知：（1）由于静态偏置磁场的存在，改变了磁致伸缩材料的弹性模量e，从而导致了δe效应的产生，故含有pzt-nfo-nzfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率向右产生偏移，即在相同的功率转换效率时，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的谐振频率比含有pzt-nfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率要大。（2）因层合了两种磁致伸缩铁氧体材料，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的功率转换效率pe的最大值（pe=64.65%，f=62khz）比含有pzt-nfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的功率转换效率pe的最大值（pe=48.14%，f=53.6khz）要大，并且含有pzt-nfo-nzfo三层结构相比含有pzt-nfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的功率转换效率pe的最大值提高了34.3%。

图6为含有pzt-nzfo两层结构、pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率与其功率转换效率的关系对比图。参考图6可知：（1）由于静态偏置磁场的存在，改变了磁致伸缩材料的弹性模量e，从而导致了δe效应的产生，故含有pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率向右产生偏移，即在相同的功率转换效率时，含有pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率比含有pzt-nzfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的谐振频率要大。（2）因层合了两种磁致伸缩铁氧体材料，含有pzt-nzfo-nfo三层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的功率转换效率pe的最大值（pe=45.94%，f=57.2khz）比含有pzt-nzfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的功率转换效率pe的最大值（pe=35.73%，f=50.1khz）要大，并且含有pzt-nzfo-nfo三层结构相比含有pzt-nzfo两层结构的磁电复合结构换能器的磁电回旋器的功率转换效率pe的最大值提高了28.6%。

综上，在相同的谐振频率下，三层结构且中间层为nfo时的磁电复合结构换能器相比三层结构且中间层为nzfo时的磁电复合结构换能器，其磁电回旋器的功率转换效率高；在相同的功率转换效率时，三层结构且中间层为nfo时的磁电复合结构换能器相比三层结构且中间层为nzfo时的磁电复合结构换能器，其磁电回旋器的谐振频率高。

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。