В НовГУ успешно усовершенствовали гиратор — устройство, отвечающего за преобразование электрического тока в напряжение и обратно в электрических цепях. Это прорыв для техники, где важна компактность и точность: от спутников до роботов. Основное преимущество разработки ученых НовГУ – это уменьшение габаритов и стоимости устройства за счёт устранения необходимости в громоздких, тяжёлых и дорогих индукторах. Такое устройство будет полезно в радиолокации, авиации и космической технике, где требуется наиболее точная передача информации, минимизация помех. Над проектом учёные работают около десяти лет. Изобретение запатентовано. В команде проекта — десять человек. Среди них есть доктора и кандидаты наук, аспиранты и магистранты кафедры промышленных технологий НовГУ.
Гиратор – пятый пассивный элемент электрических схем, наряду с резистором, конденсатором, катушкой и трансформатором. Его функция — осуществлять преобразование электрического тока в напряжение и наоборот.
— В радиотехнике существует четыре типа пассивных элементов, — рассказывает о проекте один из разработчиков, профессор кафедры промышленных технологий Дмитрий Филиппов. — Это резистор, конденсатор, катушка индуктивности, трансформатор. Гиратор, по сути, считается пятым элементом. Зачем он нужен? Дело в том, что резисторы и ёмкости легко миниатюризируются, вставляются в интегральные схемы. А вот катушку индуктивности туда не вставить, так как она довольно громоздкая. Без катушек многие схемы просто не могут работать. Катушка индуктивности – устройство, которое «запасает» энергию в магнитном поле при прохождении через него электрического тока и противодействует изменению этого тока. Если говорить простыми словами – катушка «хранит» энергию и отдаёт её тогда, когда это необходимо.
Гиратор преобразует емкостное сопротивление в индуктивное, что позволяет обходиться без катушек. Грубо говоря, он может заставить схему «думать», что там находится катушка, хотя на самом деле там конденсатор, и наоборот. Это открывает новые возможности для создания более эффективной и компактной электроники.
Устройство представляет собой симметричную трёхслойную композиционную структуру: снаружи располагаются магнитострикционные компоненты, а внутри — пьезоэлектрический элемент. Вокруг пластинок намотана катушка индуктивности, а снаружи устройство со всех сторон замыкается магнитопроводами. Такое решение позволяет полностью замкнуть магнитное поле внутри гиратора, в то время как у аналогов контур остаётся открытым и магнитное поле выходит за пределы устройства.
Принцип работы гиратора можно описать следующим образом:
· Электрический ток, протекающий через систему электродов, создает внутри нее магнитное поле.
· Под действием магнитного поля специальный магнитный материал деформируется (сжимается или растягивается).
· Деформации магнитного материала передаются в пьезоэлектрик, что приводит к возникновению электрического напряжения.
Таким образом, происходит преобразование тока в напряжение. Если запустить процесс в обратном порядке (подать напряжение на пьезоэлектрик), на выходе получим ток.
Ключевые преимущества и инновации
· Миниатюризация («магнитный конденсатор»): Вместо традиционной катушки из проволоки, которую сложно уменьшить, ученые используют систему плоских электродов, так называемый «магнитный конденсатор». Это позволяет радикально уменьшить размер элемента.
· Использование в качестве магнитной фазы уникального материала – наноструктуированного аморфного сплава «АМАГ». Это инновационный материал, который производится в Новгородской области на предприятии «Мстатор». Использование этого материала позволяет значительно увеличивает эффективность преобразования ток/напряжение.
· Энергосбережение («форма бублика»): Минимальные потери энергии достигаются благодаря особой тороидальной форме (как бублик), которая «запирает» магнитное поле. Магнитное поле замыкается внутри структуры и не «вытекает» наружу. Это сводит к минимуму потери магнитной энергии.
— Одним из главных недостатков современных гираторов является то, что в них происходит большое рассеивание энергии, что снижает КПД устройства, — пояснил Дмитрий Филиппов. — Ещё одна из проблем — электромагнитные поля компонентов электрической цепи могут влиять друг на друга, что вызывает взаимные помехи в работе прибора и снижает его точность. Нашей целью стало увеличить эффективность гиратора и повысить его электромагнитную совместимость, чтобы та техника, в которой он применяется, работала более точно и без помех. Такая разработка позволяет упрощать электрические схемы, делать их производство дешевле. Если магнитный поток не рассеивается за пределами гиратора, то это минимизирует потери энергии при преобразованиях тока и напряжения. Также замкнутое электромагнитное поле устройства не влияет на соседние компоненты электрической цепи, благодаря чему выходит меньше помех и прибор работает намного точнее.
Пока его нет в смартфонах или другом массовом потребительском устройстве. Это не только прорывная, но и нишевая технология. Она перспективна для отраслей, где важны малый размер, вес и стабильность работы: космос и авиация – спутники, летательные аппараты; радары и системы связи – особенно в устройствах, которые одновременно и принимают, и передают сигнал (дуплексная связь); робототехника – для создания более компактных и эффективных систем управления, линии электропередачи – для определенных задач управления.
На данный момент создан опытный образец. Идёт процесс отладки и испытания. Ученые подбирают оптимальные материалы, размеры и конструкцию. Предполагается изучить вопросы экспортного контроля, так как технология может иметь и военное применение.
Работа ведётся в лаборатории «Функциональные материалы» кафедры промышленных технологий Политехнического института НовГУ под руководством Дмитрия Филиппова. Усовершенствование гиратора является продолжением работ, которые проводились научным коллективом в течение более чем 10 лет. По результатам этих работ были защищены три кандидатские диссертации.
Разработка магнитоэлектрического гиратора велась при поддержке гранта Российского научного фонда. В настоящее время подана заявка на продолжение работ.
