Кольцевой магнитоэлектрический трансформатор с подмагничиванием

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования напряжения. Кольцевой магнитоэлектрический трансформатор с подмагничиванием представляет собой структуру, выполненную в виде включенного во входную цепь магнитоэлектрического конденсатора, диэлектриком которого является объемный магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал в форме плоского кольца, на внутреннюю и внешнюю поверхности которого нанесены электроды, и намотанной на него катушки индуктивности. При подаче на конденсатор переменного напряжения в пьезоэлектрической фазе композиционного материала создаются механические напряжения, которые передаются в магнитострикционную фазу, вследствие чего происходит изменение намагниченности, приводящее к индуцированию ЭДС в намотанной на образец катушке индуктивности. В выходную цепь дополнительно включен конденсатор, с которого снимается переменный выходной сигнал. Катушка индуктивности одновременно используется для создания поля подмагничивания, что приводит к увеличению эффективности действия трансформатора. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования напряжения.

В классическом исполнении трансформатор состоит из магнитопровода с намотанными на него двумя или более электрическими обмотками. Передача энергии из одной цепи в другую производится благодаря явлению взаимной индукции [(М.В. Немцов, Электротехника и электроника, Москва, «Высшая школа», 2007, 560 стр. Глава №9).]. Так как снимаемое с выходной обмотки напряжение пропорционально количеству в ней витков, это приводит к неоправданному росту размеров устройства и его громоздкости в промышленном исполнении.

Известен также автотрансформатор, содержащий одну обмотку, но при этом обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, вследствие чего не осуществляется гальванической развязки между входной и выходной цепью.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является кольцевой магнитоэлектрический трансформатор, представляющий собой структуру, выполненную в виде включенного во входную цепь магнитоэлектрического конденсатора, диэлектриком которого является объемный магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал в форме плоского кольца, на внутреннюю и внешнюю поверхности которого нанесены электроды, а выходной сигнал снимается с катушки индуктивности [см. RU №128775, H01F 19/04, от 25.05.2013].

Недостатком известного кольцевого магнитоэлектрического трансформатора является отсутствие поля подмагничивания, в результате чего при преобразовании электрического поля в магнитное возникает квадратичный магнитоэлектрический эффект [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].

Задача, на решение которой направлено заявляемое предложение, состоит в улучшении характеристик и повышении эффективности действия устройства.

Для решения данной задачи предложен кольцевой магнитоэлектрический трансформатор с подмагничиванием. Известно, что величина магнитоэлектрического эффекта очень сильно зависит от поля подмагничивания, и на так называемой полевой зависимости эффекта имеется ярко выраженный максимум [см. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, G. Srinivasan. Низкочастотный и резонансный магнитоэлектрические эффекты в объемных композиционных структурах феррит никеля - цирконат-титанат свинца // Журнал технической физики, 2012, т. 82, №1, с. 47-51]. Этот эффект предлагается использовать в заявляемом устройстве.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложена фиг. 1, где изображен общий вид кольцевого магнитоэлектрического трансформатора с подмагничиванием.

Устройство представляет собой структуру, выполненную в виде включенного во входную цепь магнитоэлектрического конденсатора, диэлектриком которого является объемный магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал в форме плоского кольца 1. На внутренней и внешней поверхностях 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 конденсатор 4.

Устройство работает следующим образом: на катушку индуктивности подается постоянное напряжение U_bias, 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 f, создающее в пьезоэлектрической фазе композита механические напряжения. 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 U_out и постоянную составляющую U_bias, создающую поле подмагничивания. Это позволяет использовать катушку индуктивности и как выходную обмотку, и одновременно как катушку, создающую поле подмагничивания.

В отличие от прототипа кольцевой магнитоэлектрический трансформатор с подмагничиванием благодаря наличию конденсатора в выходной цепи позволяет катушку индуктивности одновременно использовать и для создания поля подмагничивания, что приводит к повышению эффективности действия устройства.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно улучшить характеристики устройства и повысить эффективность действия магнитоэлектрического трансформатора.

Кольцевой магнитоэлектрический трансформатор с подмагничиванием, представляющий структуру, выполненную в виде включенного во входную цепь магнитоэлектрического конденсатора, диэлектриком которого является объемный магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал в форме плоского кольца, на внутреннюю и внешнюю поверхности которого нанесены электроды, и намотанной на него катушки индуктивности, отличающийся тем, что к ней дополнительно подключен конденсатор, с которого снимается выходной сигнал, а катушка индуктивности одновременно используется для создания поля подмагничивания.