非线性磁电换能器模型的谐振磁电效应分析及其输出功率优化

作者：谢冰鸿; 徐国凯; 肖绍球; 喻忠军; 朱大立

来源：Acta Physica Sinica, 2023, 72(11): 291-301.

DOI：10.7498/aps.72.20222277

• 磁电效应
• 等效电路
• 二端口网络
• 阻抗匹配

基于非线性磁致伸缩材料的本构方程,建立了一种“磁-力-电”多场耦合的层合磁电换能器的有限元模型,研究了不同偏置磁场下的谐振磁电效应.基于等效电路模型和二端口网络理论,实现了对谐振状态下磁电系数和等效源阻抗的完整求解.在磁电换能器与负载电阻之间引入优化的L节匹配网络,在提升负载功率的同时拓展了工作带宽.仿真结果与相关文献数据吻合,证实了该模型的准确性和有效性.仿真结果表明,所研究的层合磁电换能器,其磁电系数在450 Oe的偏置磁场下达到51.79 V/(cm·Oe)@51.4 kHz,在350 Oe的偏置磁场下达到极限输出功率–3.01 dBm@50.4 kHz.以保证负载功率为前提,通过优化匹配网络,可实现2.30 dB的功率提升和2.27倍的带宽拓展.本文所建立的非线性有限元模型充分考虑了偏置磁场对谐振磁电效应的影响,该研究结果对小型化磁耦合无线功率传输系统的设计和性能提升具有重要的指导意义.

• 单位
  中国科学院; 中山大学; 中国科学院大学; 中国科学院上海微系统与信息技术研究所; 中国科学院信息工程研究所