專利名稱：無線圈式磁力控制器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用一種新型的由壓電單晶材料與高性能磁致伸縮材料制備的復(fù) 合磁電材料結(jié)合永磁鐵和鐵軛實現(xiàn)電壓控制磁力功能的新型無線圈磁力控制器 件，屬于電工器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁力控制器件是機電控制領(lǐng)域的一個重要分支。電動機就是最典型的、應(yīng) 用最廣泛的磁力控制器件。但是以電動機為代表的線圈式磁力控制器件具有電 阻特性，即在將電能轉(zhuǎn)化為機械能的同時，由于有內(nèi)阻的線圈中有電流通過， 必然一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，在器件長時間工作的狀態(tài)下，電-力轉(zhuǎn)化效率不高； 要維持一個恒定力的輸出，線圈式的磁力控制器必須通入靜態(tài)電流，電能浪費
嚴重；不同頻率響應(yīng)特性不同。
本發(fā)明的目的是針對線圈式磁力控制器件的一些缺點，提供一種熱損耗能
量小，轉(zhuǎn)換效率高；恒力輸出不消耗能量；不同控制頻率下電壓-磁力控制線性 關(guān)系好的新型無線圈式磁力控制器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)圖由圖3示出，1、 3為壓電材料，2為磁致伸縮材料，4 為永磁鐵，5、 6為鐵軛，
其中主要構(gòu)成為三部分，其一為1、 2、 3構(gòu)成的具有壓電材料一磁致伸縮 材料，其二為永磁鐵4，其三為用于連通磁回路的鐵軛5和6。
其中，1、 2、 3構(gòu)成的具有壓電材料一磁致伸縮材料一壓電材料的多層復(fù) 合磁電材料具有空間三明治層狀結(jié)構(gòu)，兩個鐵軛分別連接永磁鐵和多層復(fù)合磁 電材料的同一極。
多層片狀壓電材料和磁致伸縮材料層疊制備的高性能復(fù)合磁電材料，具有 壓電材料一磁致伸縮材料一壓電材料的空間層狀結(jié)構(gòu)，由圖1示出，其中1為 壓電材料，2為磁致伸縮材料，3為壓電材料，4和5為正電極，6為接地電極。 上下兩層壓電材料1和3分別朝上和朝下極化；三層材料之間用導電膠粘接，
實現(xiàn)機械耦合；從上下兩層壓電材料的外表面引出共同的正向電極4和5;從 中間層的磁致伸縮材料引出接地電極6。
同向電極與接地電極之間接入一定大小的電壓，壓電材料會有一定大小的 輸出位移量，由于壓電材料和磁致伸縮材料機械耦合在一起，磁致伸縮材料依 據(jù)反磁致伸縮效應(yīng)，會相應(yīng)的改變磁致伸縮材料所處空間的磁感應(yīng)強度。通過 壓電材料和磁致伸縮材料間的電一彈一磁耦合，可以比較精確的實現(xiàn)電壓量對 空間磁感應(yīng)強度量的控制。
永磁鐵和鐵軛分別針對器件不同的規(guī)格定制而成，形狀如圖2所示。
該器件工作原理為復(fù)合磁電材料串聯(lián)在永磁鐵和鐵軛構(gòu)成的多條磁回路
中的一條磁回路里，在圖3中由上部的回路8表示，設(shè)回路8中的磁通量大小 為oi?？梢苿予F軛串聯(lián)在永磁鐵和鐵軛構(gòu)成的多條磁回路中的一條磁回路里， 在圖3中由下部的回路9表示，設(shè)回路9中的磁通量大小為①2。依據(jù)所有磁回 路的總磁通量在器件中守恒的規(guī)律，即01+02 = 0>為守恒量，通過改變復(fù)合磁 電材料所在磁回路中的磁通量①1 ，來改變可移動鐵軛所在磁回路中的磁通量O 2。磁通量①2二B2"S2 ，從而改變可移動鐵軛所在回路的磁感應(yīng)強度B2，相應(yīng)的 改變可移動鐵軛所受磁場作用力的大小，實現(xiàn)電壓控制磁力的功能。 可移動鐵軛的尺寸與該器件上半部分相匹配，形狀如圖3所示。 該器件具有典型的電容特性，熱損耗非常小，維持恒力輸出時幾乎不需要
消耗能量等優(yōu)點。
該器件為獲得最優(yōu)性能，可以采用鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛壓電單晶材料，其化 學組成為(1-x) Pb(Mgl/3Nb2/3)03-xPbTi03，其中x為摩爾分數(shù)。壓電性能 最優(yōu)組分為0.24《x《Q34，最優(yōu)晶體學方向為〈001〉和〈110〉方向。但不局限 于該壓電材料。


圖1出示了復(fù)合磁電材料的結(jié)構(gòu)示意圖，1為壓電材料，2為磁致伸縮材 料，3為壓電材料，4為正電極，5為正電極，6為接地電極。
圖2出示了新型無線圈式磁力控制器件結(jié)構(gòu)圖，l為壓電材料，2為磁致伸 縮材料，3為壓電材料，4為永磁鐵，5為鐵軛，6為鐵軛。
圖3出示了新型無線圈式磁力控制器件工作原理圖，1為壓電材料，2為磁 致伸縮材料，3為壓電材料，4為永磁鐵，5為鐵軛，6為鐵軛，7為可移動鐵 軛，8為通過復(fù)合磁電材料的磁回路，9為通過可移動鐵軛的磁回路。
圖4出示了制作新型無線圈式磁力控制器件樣品的實物圖，1為壓電材料
PMN — PT， 2為磁致伸縮材料Terfeno1-D合金，3為壓電材料PMN—PT， 4 為永磁鐵，5為鐵軛，6為鐵軛，7為可移動鐵軛，8為輸入端，9為地端。 圖5出示了氣隙間磁感應(yīng)強度的變化與所加交流電壓的大小的關(guān)系曲線。 圖6出示了一定輸入電壓下，氣隙間磁感應(yīng)強度變化的掃頻曲線。
具體實施方式
實施例
新型磁力控制器件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，選擇用改進的Bridgman方法生長 的〈001〉或〈110〉取向、組分為a20Sx幼.34的(l-x) PM N-xPT晶體，制作 壓電材料1和3。采用Terfenol-D合金制作磁致伸縮材料2。 1和3的尺寸為 12X5Xlmm3， 2的尺寸為12X5X1 mm3。三層材料之間用導電環(huán)氧樹脂膠 粘接，實現(xiàn)機械耦合。從上下兩層壓電材料的外表面引出共同的正向電極，從 中間層的磁致伸縮材料引出接地電極。
依照圖3，將可移動鐵軛7、鐵軛6和5、永磁鐵4、壓電材料1和3、磁 致伸縮材料2組裝起來，得到磁力控制器件實物，如圖4所示，其中l(wèi)為壓電 材料PMN — PT， 2為磁致伸縮材料Terfenol-D合金，3為壓電材料PMN — PT， 4為永磁鐵，5為鐵軛，6為鐵軛，7為可移動鐵軛，8為輸入端，9為地
丄山頓。
將輸入端8和地端9接上信號函數(shù)發(fā)生器，輸入交流電壓。使用霍耳探測 器測量可移動鐵軛與磁力控制器氣隙間的磁感應(yīng)強度。由于當可移動鐵軛的形 狀，磁性等特征固定后，其所受到的磁力正比于所在空間的磁感應(yīng)強度，所以 通過測量輸入電壓與磁感應(yīng)強度的對應(yīng)關(guān)系，可以表征新型磁力控制器的控制 性能。B—V關(guān)系如圖5所示，二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。
固定輸入的交流電壓的幅度，改變輸入電壓的頻率，測量氣隙間的磁感應(yīng) 強度，B—f曲線如圖6所示，在低頻下(〈10 kHz),器件性能基本上不受頻率影 響。
權(quán)利要求
1、無線圈式磁力控制器件，包括為壓電材料(1、3)，磁致伸縮材料(2)，永磁鐵(4)，鐵軛(5、6)其中1、2、3構(gòu)成的具有壓電材料-磁致伸縮材料-壓電材料的多層復(fù)合磁電材料具有空間三明治層狀結(jié)構(gòu)，兩個鐵軛分別連接永磁鐵和多層復(fù)合磁電材料的同一極。
2、 按權(quán)利要求1所述的無線圈式磁力控制器件其特征在于所述的壓電材料 為鈮鎂酸鉛 一 鈦酸鉛單晶材料。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的無線圈式磁力控制器件，其特征在于所述的鈮 鎂酸鉛一鈦酸鉛單晶材料的化學組成為(l-x) Pb(Mg1/3Nb2/3)03-xPbTi03， 0.20《x《0.34，晶體學方向為〈001〉和〈110〉方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線圈式磁力控制器件，屬于屬于電工器件領(lǐng)域。本發(fā)明包括為壓電材料(1、3)，磁致伸縮材料(2)，永磁鐵(4)，鐵軛(5、6)，其中1、2、3構(gòu)成的具有壓電材料—磁致伸縮材料—壓電材料的多層復(fù)合磁電材料具有空間三明治層狀結(jié)構(gòu)，兩個鐵軛分別連接永磁鐵和多層復(fù)合磁電材料的同一極。本發(fā)明通過改變復(fù)合磁電材料所在磁回路中的磁通量，達到改變可移動鐵軛所受磁場作用力的大小，實現(xiàn)電壓控制磁力的功能。該器件與傳統(tǒng)的基于線圈的磁力控制器相比，具有熱損耗能量小，轉(zhuǎn)換效率高，恒力輸出不消耗能量，不同控制頻率下，電壓-磁力控制具有非常好的線性關(guān)系等諸多優(yōu)點。
文檔編號H01L41/18GK101350570SQ20081003814
公開日2009年1月21日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者徐海清, 迪 林, 潘曉明, 杰 焦, 羅豪甦, 賈艷敏, 趙祥永 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所