CN102891625B - 一种磁电复合能量转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁电复合能量转换装置，属于能源器件技术领域。所述磁电复合能量转换装置是由磁致伸缩材料和压电材料粘接成的异质结构，通过弹性基板固定在支撑结构中。本发明利用磁电复合结构的磁电耦合效应可以将环境中的电磁能量转换成电能。本发明可用于无人值守环境中，为无线传感器提供电能，免去携带和更换电池的不便；也可用于电磁污染环境的检测和清洁领域。

Description

一种磁电复合能量转换装置
技术领域
本发明属于能源器件技术领域，涉及一种可以将空间电磁能量转化为电能的技术。
背景技术
自然环境中存在各种各样的能源，如：太阳能、风能、水能、地热能、振动能等等，如果能够将自然界存在的各种能源转换成电能，这将是人类社会取之不尽、用之不竭的宝贵财富。利用自然环境中已知的各种能源，将之转换成电能的各种技术和装置也层出不穷。但自然环境中还有一种能源是被人们所忽略了的，那就是空间电磁能。
空间环境中如广播电视塔、无线通讯设备、移动基站等几乎全天候辐射电磁波，同时，环境中的电磁能能量有很好的空间分布性和稳定性。如果能够将这些电磁能加以利用，转换成电能，这对特殊情况下满足电能的需求，至少对减少空间电磁污染具有实际意义。而且电磁能的转换相对于太阳能而言，不用考虑黑夜以及天气影响；也不需要像振动能转换那样需要与振动源物理接触。
压电材料是一种在外力作用下产生电荷的功能材料，具有单晶、陶瓷、有机和复合多种类型。压电材料极化后，在外力的作用下，压电材料的表面就会产生电荷，这就是压电效应。
磁致伸缩材料是一种在磁场磁化的作用下，随着自身磁化状态改变发生弹性形变的功能材料，具有金属、合金、铁氧体、稀土超磁致伸缩材料等类型。
磁电复合结构利用乘积效应通过机械弹力将两相材料的作用相互耦合，产生磁电耦合效应。在一定强度的偏置磁场下，置于交变电磁场中的磁致伸缩材料由于磁致伸缩效应发生周期性的形变，形变通过界面机械力耦合将周期性形变传递给压电材料，压电材料也随之产生周期性的形变，通过压电效应产生电荷，由此实现了电磁能-机械能-电能的转换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用磁电耦合效应可以将空间电磁波能量转化为电能的器件。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种磁电复合能量转换装置，如图4所示，包括磁电复合结构，基板5和支撑结构6；所述磁电复合结构由压电材料块1和磁致伸缩材料块2紧贴在一起复合而成，其中压电材料块1能够产生压电效应的两个面上镀有金属电极并焊有金属导线；所述支撑结构6是由绝缘材料制成的U型槽结构(如图2所示)，在U型槽对称的两个侧面板内侧上固定有一对相异磁极的永磁体8；所述基板5由弹性金属材料或有机弹性材料制成，磁电复合结构固定于基板5上，而基板5固定于支撑结构6上并使得磁电复合结构位于所述一对相异磁极的永磁体8所产生的磁场中间。
如图1a至图1e所示，所述磁电复合结构中压电材料块1和磁致伸缩材料块2的紧贴复合方式可以是叠层式复合，由相同形状的单片压电材料块1和单片磁致伸缩材料块2层叠粘接而成，或由形状相同的两片磁致伸缩材料块2夹一片压电材料块1层叠粘接而成；压电材料块1和磁致伸缩材料块2的形状可以是矩形片状、圆片状或环片状。
如图1f所示，所述磁电复合结构中压电材料块1和磁致伸缩材料块2的紧贴复合方式也可以是环片复合，即压电材料块1为环片状而磁致伸缩材料块2为圆片状或环片状，且圆片状或环片状的磁致伸缩材料块2镶嵌于环片状压电材料块1的内圆之中。
如图3a至图3b所示，所述磁电复合结构在基板5上的固定方式可以是单面固定或双面对称固定。所谓单面固定是指在基板单面固定一个磁电复合结构，而另一面不固定磁电复合结构；所谓双面对称固定是指在基板正反两面分别固定一个磁电复合结构。
如图2所示，所述支撑结构6底板上可以具有一个固定基板所需的凹槽。
采用本发明提供的多个磁电复合能量转换装置可形成阵列结构，其中多个磁电复合能量转换装置的多个压电材料块1之间采用金属导线形成串联、并联或混联结构，可以将更多的电磁能量转换成电能并提供更大的功率输出。
本发明提供的磁电复合能量转换装置核心原理在于利用磁电复合结构的磁电耦合效应。在一定强度的偏置磁场下，置于交变电磁场中的磁致伸缩材料由于磁致伸缩效应发生周期性的形变，形变通过界面机械力耦合将周期性形变传递给压电材料，压电材料也随之产生周期性的形变，通过压电效应产生电荷，由此实现了电磁能-机械能-电能的转换。本发明可用于无人值守环境中，为无线传感器提供电能，免去携带和更换电池的不便；也可用于电磁污染环境的检测和清洁领域。
附图说明
图1a矩形双层磁电复合结构示意图。
图1b矩形三层磁电复合结构示意图。
图1c圆形双层磁电复合结构示意图。
图1d圆形三层磁电复合结构示意图。
图1e环形双层磁电复合结构示意图。
图1f环-片磁电复合结构示意图。
图2支撑结构6的结构示意图。
图3a磁电复合结构在基板5上的单面固定示意图。
图3b磁电复合结构在基板5上双面对称固定示意图。
图4本发明提供的磁电复合电磁能量转换装置整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及其实施例对本发明作进一步详细说明。
一种磁电复合能量转换装置，如图4所示，包括磁电复合结构，基板5和支撑结构6；所述磁电复合结构由压电材料块1和磁致伸缩材料块2紧贴在一起复合而成，其中压电材料块1能够产生压电效应的两个面上镀有金属电极并焊有金属导线；所述支撑结构6是由绝缘材料制成的U型槽结构(如图2所示)，在U型槽对称的两个侧面板内侧上固定有一对相异磁极的永磁体8；所述基板5由弹性金属材料或有机弹性材料制成，磁电复合结构固定于基板5上，而基板5固定于支撑结构6上并使得磁电复合结构位于所述一对相异磁极的永磁体8所产生的磁场中间。
如图1a至图1e所示，所述磁电复合结构中压电材料块1和磁致伸缩材料块2的紧贴复合方式可以是叠层式复合，由相同形状的单片压电材料块1和单片磁致伸缩材料块2层叠粘接而成，或由形状相同的两片磁致伸缩材料块2夹一片压电材料块1层叠粘接而成；压电材料块1和磁致伸缩材料块2的形状可以是矩形片状、圆片状或环片状。
如图1f所示，所述磁电复合结构中压电材料块1和磁致伸缩材料块2的紧贴复合方式也可以是环片复合，即压电材料块1为环片状而磁致伸缩材料块2为圆片状或环片状，且圆片状或环片状的磁致伸缩材料块2镶嵌于环片状压电材料块1的内圆之中。
如图3a至图3b所示，所述磁电复合结构在基板5上的固定方式可以是单面固定或双面对称固定。所谓单面固定是指在基板单面固定一个磁电复合结构，而另一面不固定磁电复合结构；所谓双面对称固定是指在基板正反两面分别固定一个磁电复合结构。
如图2所示，所述支撑结构6底板上可以具有一个固定基板所需的凹槽。
本发明提供的磁电复合能量转换装置中，关于关键部件磁电复合结构的材料选择和制备上，需要说明的是：
1、压电材料的选择：应根据具体的应用选择所需的压电材料，比如选择压电性能好廉价的压电陶瓷PZT系列；也可选择单晶的铌镁酸盐-钛酸铅(PMN-PT)；有机压电材料偏四氟乙烯(PVDF)；或无铅压电材料等。按照尺寸切割，可以选择矩形，圆形和环片等形状。
2、磁致伸缩材料的选择：根据具体的应用选择所需的磁致伸缩材料，比如价格便宜的金属和铁氧体，或者磁致伸缩效应大的铁镓合金、锑镝合金等。按照尺寸切割，可以选择矩形，圆形和环片等形状。
3、基板材料的选择：材质和尺寸根据具体需要选择弹性好，粘接性好，抗疲劳性突出的金属材料，如：铜，锰钢等，还可以选择弹性较好的有机材料，如：高弹性聚氯乙烯等；按照尺寸切割时，宽度要保证磁电复合结构完整的安装在基板表面。
4、在压电材料块具有压电效应的表面上镀金属电极，并在70℃的硅油中用2KV/mm的电场极化。压电材料的极化方向和磁致伸缩材料的磁化方向根据所选用的工作模式决定。
5、磁电复合结构与基板之间涂抹粘接剂，再将样品放置在两平板之间施加相应的压力，可以适当施加温度，保证磁电复合结构与基板材料粘接完好。
本发明所述的磁电复合能量转换装置具有多种用途，在无线传感技术方面，以及自供能器件方面都有很好的利用。可以本发明安装在无人值守环境中为无线传感器供电，免去携带和更换电池的不便。本发明可以收集各频率的电磁波，但是在共振频率下器件的收集效率更大。本发明还可用于电磁污染环境的检测和清洁领域。
实施例
矩形双层磁电复合结构的制作：选择长度*宽*厚度为20mm*8mm*1.5mm的压电材料PZT和长度*宽*厚度为20mm*8mm*1.5mm的磁致伸缩材料Terfenol-D。压电材料的上下相对表面上镀上电极，并在70℃的硅油中用2KV/mm的电场沿厚度方向进行极化，工作在纵向振动模式。磁致伸缩材料在长度方向磁化，工作在横向振动模式。
在压电材料的两电极上焊接导线，以直径0.5mm的绝缘导线为宜。
在Terfenol-D的一面上涂上树脂，保持与PZT材料的绝缘的基础上，用匀胶机旋涂方式均匀减小树脂厚度，以便Terfenol-D与PZT粘接紧密，得到尽量大的磁电性能。
在Terfenol-D和PZT上涂一层热固环氧树脂，将样品放在两个金属平板之间，进行热压，冷却降温后即得到矩形双层磁电复合结构。
基板的制作：选择长度*宽*厚度为40mm*20mm*1.5mm的铜片。
选择两个矩形双层磁电复合结构，分别在Terfenol-D的底面和基板的两侧涂一层热固环氧树脂，将样品放在两个金属平板之间，进行热压，冷却降温后磁电复合结构即可粘接固定在基板上。
支撑结构的制备：选择长度*宽为40mm*40mm，厚度分别为2mm，2mm和3mm的3块绝缘板，分别作为两侧边板和底边板。在厚度为3mm的底边板的中心对称位置加工长度*宽*厚度为20mm*1.5mm*2mm的凹槽。
按照图4所示将各部件组装，并焊接两导线，使得对称的两磁电复合结构并联，即制作完成磁电复合能量转换装置。
应当说明的是：以上实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改变和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁电复合能量转换装置，包括磁电复合结构，基板(5)和支撑结构(6)；所述磁电复合结构由压电材料块(1)和磁致伸缩材料块(2)紧贴在一起复合而成，其中压电材料块(1)能够产生压电效应的两个面上镀有金属电极并焊有金属导线；所述支撑结构(6)是由绝缘材料制成的U型槽结构，在U型槽对称的两个侧面板内侧上固定有一对相异磁极的永磁体(8)；所述基板(5)由弹性金属材料或有机弹性材料制成，磁电复合结构固定于基板(5)上，而基板(5)固定于支撑结构(6)上并使得磁电复合结构位于所述一对相异磁极的永磁体(8)所产生的磁场中间。
2.根据权利要求1所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述磁电复合结构中压电材料块(1)和磁致伸缩材料块(2)的紧贴复合方式是叠层式复合，由相同形状的单片压电材料块(1)和单片磁致伸缩材料块(2)层叠粘接而成，或由形状相同的两片磁致伸缩材料块(2)夹一片压电材料块(1)层叠粘接而成；压电材料块(1)和磁致伸缩材料块(2)的形状是矩形片状、圆片状或环片状。
3.根据权利要求1所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述磁电复合结构中压电材料块(1)和磁致伸缩材料块(2)的紧贴复合方式是环片复合，即压电材料块(1)为环片状而磁致伸缩材料块(2)为圆片状或环片状，且圆片状或环片状的磁致伸缩材料块(2)镶嵌于环片状压电材料块(1)的内圆之中。
4.根据权利要求1、2或3所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述磁电复合结构在基板(5)上的固定方式是单面固定，即在基板单面固定一个磁电复合结构，而另一面不固定磁电复合结构。
5.根据权利要求1、2或3所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述磁电复合结构在基板(5)上的固定方式是双面对称固定，即在基板正反两面分别固定一个磁电复合结构。
6.根据权利要求1、2或3所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述支撑结构(6)底板上具有一个固定基板所需的凹槽。
7.根据权利要求4所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，所述支撑结构(6)底板上具有一个固定基板所需的凹槽。
8.根据权利要求1、2或3所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，采用多个所述磁电复合能量转换装置形成阵列结构，其中多个磁电复合能量转换装置的多个压电材料块(1)之间采用金属导线形成串联、并联或混联结构，可以将更多的电磁能量转换成电能并提供更大的功率输出。
9.根据权利要求4所述的磁电复合能量转换装置，其特征在于，采用多个所述磁电复合能量转换装置形成阵列结构，其中多个磁电复合能量转换装置的多个压电材料块(1)之间采用金属导线形成串联、并联或混联结构，可以将更多的电磁能量转换成电能并提供更大的功率输出。
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