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高效磁电异质回旋器件及其层间能量传递研究

【摘要】:磁电回旋器是一种具有无源、线性、低损耗、非互异性等特性的四线-双端口电力电子器件,可以实现电压/电流以及电容/电感的非互易性直接转化,在作为功率器件时,还可实现阻抗快速匹配以及功率传输等功能,具有巨大的发展潜力,已经在高效功率电子器件等领域获得了广泛的应用。磁电回旋器是以磁电复合材料为核心部件并在其外围密缠铜制螺线管制作而成,其核心原理是利用磁致伸缩效应和压电效应的乘积效应实现磁电转化,在磁-机-电能量转化过程中,磁-机转化和机-电转化的效率主要取决于材料自身的能量转化特性,以往功率转化效率提升的研究主要集中于这一方向,但是其通过界面耦合实现的压磁/压电材料间能量传递过程中的损耗机理目前尚不明确,因而在通过降低损耗的方法进一步提升磁电回旋器功率转化效率的过程中缺乏必要的理论依据与数据支持。针对这一问题,本文设计并制作了一种压磁/压电层合磁电回旋器并对其磁电特性进行测量及分析。经研究Ni_(0.7)Zn_(0.3)Tb_(0.02)Fe_(1.98)O_4材料在最优偏置磁场下具有较高动态压磁系数42.6ppm/Oe,选其制备三层层合结构回旋器并测量其磁电特性及功率转化特性,在谐振59.01k Hz处磁电电压系数为383V/cm Oe,在偏置磁场22Oe,负载3.5k?处功率转化效率可达到80.3%同时,为进一步定量分析磁电层合结构中的层间能量传递损失,本文设计并搭建了非接触式光学测速系统逐层测量压磁层和压电层振动速度,各层谐振频率相同且最大振动速度差不超过于5%,可视为相对静止运动,故认为其速度损耗主要存在于层合面环氧树脂层中。通过动态能量积分公式分析后可知,约为29%的动能在层间能量传递过程中损耗。本文对磁-机-电动态能量转化的研究和探索,为进一步提升磁电回旋器的功率转化效率提供了研究思路与技术参考。

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