CN109429534A - 包括磁电转换器的发电机及其制造方法 - Google Patents

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T·里卡尔
J·吉伦
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Abstract

本发明涉及一种磁电转换器(200)，所述磁电转换器(200)能够将磁场的变化转换成两个电端子(202、203)之间的电位差；所述转换器包括：支撑层(50)，所述支撑层(50)包括两个电端子(202、203)；设置在所述支撑层(50)上的层叠结构，所述层叠结构的第一层(10)由磁致伸缩材料制成，第一层(10)规定基准平面，所述层叠结构的第二层(20)由压电材料制成，第二层(20)在平行于所述基准平面的由所述第二层(20)规定的平面中具有极化轴(21)；所述第二层(20)包括电极(23、24)；以及用于使所述电极(23、24)电连接至所述电端子(202、203)的装置。

Description

包括磁电转换器的发电机及其制造方法
技术领域
本发明涉及能量回收装置的领域。本发明尤其涉及发电机和能够将磁能变化转换成电位差的转换器、以及相关联的制造方法。磁电转换器包括磁致伸缩材料(magnetostrictive)层和压电材料层的层叠结构。
背景技术
磁致伸缩通常对应于机械形式与磁性形式之间的能量的可逆交换。最著名的磁致伸缩效应是焦耳效应。其对应于铁磁杆在磁场的影响下的膨胀(在正磁致伸缩系数的情况下)或者收缩(在负系数的情况下)。在没有磁场的情况下，该杆理论上返回至其原始形式。在磁场的方向上的纵向膨胀的情况下，在横向方向上会出现收缩以便使杆的体积维持大体上恒定。
压电现象是在机械应力的影响下生成电荷。在压电材料中，已知的是PZT(铅、锆和钛的合金)。可以凭借在显著低于其居里温度的温度下的热处理来使PZT(配备有两个电极)预极化，在此期间将电压施加至电极。在这种情况下，在从一个电极至另一电极的方向上建立了材料的极化轴。该极化尤其确定响应于被施加至压电材料的应力而会在其上出现过量电荷的电极。就包括平行的上表面和下表面的一层PZT材料而论，由于每个表面上存在电极，所以极化轴可以被定向在垂直于这些表面的方向上。可替代地，在该层的两个表面中的至少一个上使用叉指式电极的情况下，极化轴可以被定向在平行于这些表面的方向上。在后一种情况下，极化轴平行于这些表面的平面，并且垂直于形成叉指式电极的导电材料的指状物。为了将应力/变形转换成电极端子处的电位差，因此可以取决于变形是否垂直于极化轴(被称为d31的模式)或者应变是否平行于极化轴(被称为d33的模式)来采用两种特定模式中的一种。
从现有技术(WO2015/059421或者还有T.Lafont等人的“Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting”，Journal ofMicromechanics and Microengineering，no.22,2012)得知，发电机包括磁场源(其场力线平行于基准平面)以及能够将磁场的变化转换成两个电端子之间的电位差的磁电转换器。一方面，该转换器由机电换能器构成，该机电换能器包括能够将机械变形转变成连接至其电极的两个电端子之间的电位差的压电层。该转换器还由磁致伸缩层构成，该磁致伸缩层根据基准平面且没有自由度地被固定至机电换能器，其能够将磁场的变化转换成被施加至机电换能器的机械变形。
然而，现有技术并未提供一种简单、有效且紧凑的发电机配置。
发明目的
本发明的其中一个目的是，提供一种适合于制造简单、有效且紧凑的发电机的磁电转换器。
发明内容
本发明首先涉及一种磁电转换器，该磁电转换器能够将磁场的变化转换成两个电端子之间的电位差，其中，该转换器包括：
背层，该背层包括两个电端子；
布置在背层上的层叠结构，该层叠结构的磁致伸缩材料的第一层规定基准平面，并且该层叠结构的压电材料的第二层在平行于基准平面的由第二层规定的平面中具有第一极化轴，其中，第二层包括电极；
电连接装置，该电连接装置用于将电极连接至电端子。
根据本发明的转换器的转换效率与层叠结构的特性有关。背层和连接装置的存在允许良好的紧凑水平。
单独地或者组合地看，根据本发明的转换器的有利特性为：
层叠结构包括在第一层与第二层之间的粘结层；
第二层的金属电极是存在于第二层表面中的至少一个上或者第二层侧边上的叉指式电极；
层叠结构包括压电材料的第三层，该压电材料的第三层在由第三层规定的平面中具有第二极化轴，其中，第一层被布置在第二层与第三层之间；第二极化轴与第一极化轴对齐或者垂直于第一极化轴，好于在15°内；
第三层的金属电极是存在于第三层表面中的至少一个上的叉指式电极；
压电材料是由PZT(锆钛酸铅)、PMN-PT(铌镁酸铅)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、BaTiO3(钛酸钡)、或者AlN(氮化铝)构成；
磁致伸缩材料是由结晶或者烧结的铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、铽铁合金(Terbium Iron)、铁钴合金(Iron-Cobalt)、铁镍合金(Iron-Nickel)或者非晶FeSiB(铁硅硼合金)构成；
层叠结构和背层的形状是圆形的；
磁电转换器的直径小于3cm，并且具有大于3的直径厚度比；
背层是印刷电路；
印刷电路具有用于收集在电极上生成的电荷的至少一种切换功能；
印刷电路具有用于储存在电极上生成的电荷的至少一种储存功能；
印刷电路还具有用于处理由在电极上生成的电荷引发的电信号的至少一种处理功能；
用于将电极连接至电端子的电连接装置包括至少两个导电粘合材料条，该至少两个导电粘合材料条被布置在层叠结构的侧边上，且在背层的侧边或者边缘上；
第一层的侧边通过绝缘粘合材料层与导电粘合材料条隔离；
用于将电极连接至电端子的电连接装置包括至少两个引线接合；
用于将电极连接至电端子的电连接装置包括在层叠结构中的至少两个导电过孔。
转换器包括缓冲层，该缓冲层的材料具有吸声性能并且被布置在层叠结构与背层之间。
本发明还涉及一种发电机，该发电机包括：
如上述的磁电转换器；
在基准平面中生成磁场的源；
其中，磁场源和转换器可以彼此相对旋转，以改变磁场在基准平面中的取向。
单独地或者组合地看，根据本发明的发电机的有利特性为：
磁场源限定出壳体，磁场充盈于该壳体中，转换器位于该壳体中；
磁场源是哈尔巴赫筒(Halbach cylinder)。
本发明还涉及一种制造磁电转换器的方法，该方法包括：
提供磁致伸缩材料的第一层；
提供压电材料的第二层，该压电材料的第二层在由第二层规定的平面中具有第一极化轴，并且包括电极；
将第一层与第二层组装起来以形成层叠结构。
单独地或者组合地看，根据本发明的制造方法的有利特性为：
该制造磁电转换器的方法包括：提供压电材料的第三层，该压电材料的第三层在由第三层规定的平面中具有第二极化轴并且包括电极；
该制造磁电转换器的方法包括：将第一层与第三层组装起来，其中，第一层被布置在第二层与第三层之间；
组装的步骤包括：将粘合剂涂在待被结合的层的至少一个表面上，并且使所述表面接触；
该制造磁电转换器的方法包括：将层叠结构与背层结合在一起，以便将至少一层压电材料的电极连接至两个电端子。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从随后参照附图对本发明进行的详细描述中浮现出来，在附图中：
图1示出了根据本发明的发电机的框图；
图2a和图2b示出了第二层和压电材料的第三层，适应于根据本发明的磁电转换器；
图3a至图3f示出了根据本发明的用于制造用于磁电转换器的层叠结构的方法；
图4a至图4c示出了根据本发明的用于制造转换器的方法；
图5a至图5c示出了根据本发明的紧凑型发电机的操作的框图。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的发电机400的框图。其包括磁场源300和磁电转换器200，该磁电转换器200能够将磁场B的变化转换成电端子202、203之间的电位差。转换器200包括：两个电端子202、203，和由规定基准平面(x,y)的磁致伸缩材料的第一层10和压电材料的第二层20构成的层叠结构。磁场B的一些线平行于基准平面(x,y)。磁场源300和转换器200可以彼此相对旋转，以便改变磁场B在基准平面中的取向。
根据本发明，为了限制发电机400的总体尺寸(例如，大约一立方厘米)，使磁场源300的大小减小。磁场强度可以为大约0.3特斯拉，或者在0.1与0.6特斯拉之间。磁致伸缩材料被选择为，以便具有大于30ppm的磁致伸缩系数。这可以涉及结晶或者烧结的铽镝铁合金(Terfenol-D)、铁镓合金(Galfenol)、铽铁合金(Terbium Iron)、铁钴合金(Iron-Cobalt)、铁镍合金(Iron-Nickel)或者非晶FeSiB(铁硅硼合金)。在基准平面(x,y)中经受磁场B的情况下，磁致伸缩材料的第一层10会沿着平行于所述磁场B的轴经历变形。
根据本发明的有利方面并且为了满足紧凑要求，源300设有壳体，磁场B充盈于该壳体中，并且磁电转换器200位于该壳体中。举例来说，磁场源300可以是永磁体，例如，哈尔巴赫圆筒(Halbach cylinder)。
形成转换器的层叠结构
如关于图1看到的，转换器200包括层叠结构，该层叠结构包括磁致伸缩材料的第一层10和压电材料的第二层20。
因此，用于制造层叠结构100的方法包括：提供磁致伸缩材料的第一层10。其还包括：提供压电材料的第二层20的步骤，该压电材料的第二层20在由第二层20规定的平面中具有极化轴21(命名为“第一极化轴”)。第二层20的至少一个表面包括电极，优选地是叉指式电极23、24(图2a)。在后一种情况下，其极化轴21平行于第二层20的表面的平面并且垂直于形成叉指式电极23、24的导电材料的指状物。因此，压电材料层20优选地被制备为在d33模式下操作，该d33模式有利地比d31模式更敏感，这有助于提高转换器的效率。
根据第一替代例，电极23、24可以由与第二层20的表面接触的导电材料形成；在第二圆形层20的情况下，每个电极的多个指状物可以通过半圆形节段连接起来，如在图2a中图示的。
根据第二替代例，每个电极的指状物可以通过在第二层20的表面处或者在其侧边上的导电元件(例如，引线接合)成对地连接起来：该配置尤其使得能够增加指状物的尺寸(例如，达到第二层20的边缘)并且因此开发在第二层20的表面的更大表面上收集电荷的积极作用。
根据第三替代例，电极23、24可以由导电材料形成，其被布置在第二层20的厚度上：存在于第二层20的一个表面上的电极的每个指状物延伸到其厚度中，从而形成导电材料的贯穿叶片(through-blade)。例如，可以参照多层压电层叠结构技术来制造根据该第三替代例的第二层20。该配置使得收集电荷的效率最大化，因为其使用了第二层20的整个厚度。该第三替代例可以并入上文在第一替代例和第二替代例中描述的每个电极的指状物的连接模式中的任一个，当然不会使其具有限制性。
用于制造层叠结构100的方法包括：将第一层10与第二层20组装起来的步骤。该组装步骤可以包括：一方面，将一薄层或者一圈粘合剂40分别铺展在第一层10或者第二层20的待被结合的两个表面中的至少一个上。
图3a至图3f示出了这样一个实施例：将粘合剂薄膜40铺展在第二层20上(图3a)；随后使第一层10与第二层20相对放置(图3b)。该组装步骤随后涉及将层10和20的待被组装的表面放置为彼此接触(图3c)。为了在两个层之间的界面处获得均匀的粘合层40'，将施加均匀的压力以便使这两个层更紧密接合。
因此，层叠结构100由被结合至压电材料的第二层20的磁致伸缩材料的第一层10构成，其中，压电材料的第二层20在其表面中的至少一个上配备有电极23、24。
根据一个替代例，用于制造层叠结构101的方法包括：提供压电材料的第三层30的步骤，该压电材料的第三层30在由第三层30规定的平面中具有极化轴31(命名为“第二极化轴”)(图2b)。有利地，第三层30的至少一个表面具有叉指式电极33、34，并且极化轴31平行于所述表面的平面，并且尤其垂直于形成叉指式电极33、34的导电材料的指状物。
该制造方法还包括：将层叠结构100与第三层30组装在一起以便使得第一层10被布置在第二层20与第三层30之间的步骤。因此，在铺展了一薄层或者一圈粘合剂41之后，在第一层10的自由面(与被结合至第二层20的表面相对的表面)与第三层30的其中一个表面之间执行组装。举例来说，将粘合剂41的薄膜施加至第三层30的表面，如在图3d中图示的。有利地，组装将被执行为使得第一极化轴21和第二极化轴31对齐或者垂直，例如，在15°内。根据另一有利配置，第一轴关于第二极化轴的定位准确度甚至可以好于5°。由于第一极化轴21和第二极化轴31被包含在大体上平行的平面中(分别为由第二层20规定的平面和由第三层30规定的平面)，所以这两条轴之间的对齐涉及在平面图中(在层平面中)限制其在彼此之间形成的角度。换言之，这些轴在由其中一个层规定的平面上的突起所形成的角度小于15°(或者5°)。
因此，层叠结构101由被布置在压电材料的第二层20与压电材料的第三层30之间的磁致伸缩材料的第一层10构成，其中，压电材料的第二层20和压电材料的第三层30分别在其表面中的至少一个上配备有电极23、24、33、34(图3f)。
在组装步骤期间所使用的粘合剂可以选自不同类型的材料，以便有利于层叠结构100、101的某些特性。一些粘合材料的粘弹性状将是有利的，以便适应压电材料层20、30与磁致伸缩材料层10之间的热膨胀差异。较坚硬和较刚硬的粘合材料倾向于确保从第一层10至第二层20和第三层30的有效变形传递。在各个层之间允许最小滑移的粘合界面可替代地可以是通过共烧结组装层或者此外通过直接粘结来产生，而不用添加粘合材料。
压电材料可以选自PZT(锆钛酸铅)、PMN-PT(铌镁酸铅)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、BatiO3(钛酸钡)、或者AlN(氮化铝)，但并不限制于此。
磁电转换器
根据本发明的磁电转换器200能够将磁场的变化转换成两个电端子202、203之间的电位差。其包括如上文所描述的层叠结构100、101中的任一个。
如在图4a至图4c中示出的，一个电端子202电气地连接至叉指式电极23、33中的一个，另一电端子203经由背层50连接至叉指式电极24、34中的另一个。举例来说，该背层50可以包括印刷电路(也称为PCB，表示“印刷电路板”)。例如，背层50可以凭借一层粘合剂42被组装在层叠结构100或者101的第二层20或者第三层30的自由面上(图4a)。如在图4a中图示的，背层50可以包括在背面上的电端子202、203，其正面被结合至层叠结构100、101。这些电端子202、203因此可以随后连接至其它元件以便产生发电机400。
叉指式电极23、24、33、34与背层50的触点(能够被连接至将经历电位差的两个电端子)之间的电连接可以是凭借导电粘合条43来建立，该导电粘合条43被涂在转换器200的侧边上，尤其在层叠结构100、101的侧边上和在背层50的侧边或者边缘上。侧边表示将各个层的主要表面连接起来的侧表面，在附图中，主要表面平行于平面(x,y)。层边缘对应于主要表面上的外围部分。磁致伸缩材料的第一层10的侧边将预先由电绝缘薄膜44覆盖，尤其为了防止导电粘合条43在与第一层10接触时短路(图4c)。
可替代地，叉指式电极23、24、33、34与背层50的触点之间的电连接可以凭借引线接合来进行。这些引线接合可以从包括电极的第二(和/或第三)层20的表面或者从其侧边伸展至背层50的其中一个表面或者其侧边。
可替代地，叉指式电极23、24、33、34与背层50的触点之间的电连接可以凭借穿过层叠结构(100、101)的导电过孔来进行。
背层50将有利地具有与层叠结构100、101的形状类似的形状，例如，圆形。根据一个替代例，其可以被结合至第二印刷电路，该第二印刷电路具有用于收集在电极(23、24、33、34)上生成的电荷的切换功能、用于储存所述电荷的功能、以及/或者用于处理所引发的电信号的处理功能。
根据另一有利替代例，背层50自身可以具有用于收集在电极(23、24、33、34)上生成的电荷的至少一种切换功能。其还可以具有用于储存在电极(23、24、33、34)上生成的电荷的至少一种储存功能。其还可以具有用于处理由在电极(23、24、33、34)上生成的电荷引发的电信号的至少一种处理功能。
根据又另一有利替代例，缓冲层(由具有吸声性能的至少一种材料构成)被布置在层叠结构100、101与背层50。该缓冲层经由一层粘合剂一方面与层叠结构100、101结合在一起，并且另一方面与背层50结合在一起。
在转换器200中，缓冲层的作用是吸收可能由于在转换器200的端子上的电荷恢复时(下文将在对发电机的描述期间进一步详细地处理电荷的收集)可能发生的第二(和/或第三)层压电材料20、30的应力的形状和/或状态的突然变化而生成的声波。这些声波会在每次电荷恢复时导致可听到的咔哒声，这对于一些应用而言可能是恼人的。缓冲层会吸收或者至少显著地抑制该声音，因而消除或者减弱声音引起的不便。
然而，没有该缓冲层的话会具有限制性，该缓冲层有利地由蜂窝材料构成，尤其是具有开孔的蜂窝材料。举例来说，可以使用诸如聚氨酯泡沫等材料。
发电机
为了形成发电机400，可以将磁电转换器200放置在由磁场源300限定出的壳体中，磁场B充盈于该壳体中，场力线的一部分被包括在由转换器200的磁致伸缩材料的第一层10规定的基准平面中。转换器200有利地具有圆形形状，小于3cm的直径，以及大于3的直径厚度比。因而创建出了尤其紧凑的发电机400。磁场源300和转换器200可以彼此相对旋转以便改变磁场B在基准平面中的取向。转换器200因此由优选地均匀的磁场B穿透并且在基准平面(x,y)中被定向在初始方向B0上。该磁场的变化意在被转换成转换器200的两个电端子202、203之间的电位差。
有利地，转换器将被定位在磁场源300的壳体中，以便使得初始磁场方向B0平行于或者垂直于压电材料的第二层层20和压电材料的第三层30的第一极化轴21和/或第二极化轴31。
如在图5a中示出的，在磁场B0的作用下，磁致伸缩材料的第一层10被磁化，并且沿着平行于磁场B0的y轴经历变形。该变形对应于层叠结构100、101在基准平面中沿着y轴(根据图5a中示出的示例，平行于极化轴21、31)的延伸，其随后将被命名为“最大延伸”。层叠结构100、101同时在基准平面(x,y)中沿着x轴经历收缩(即，负延伸，其随后将被命名为“最小延伸”)。在图5a中通过转换器200沿着y轴进行的卵圆形扭曲来示意性地示出了第一层100的变形。该变形适应于第二层20(以及如果存在的话，适应于第三层30)并且对应于转换器200的初始状态。
为了改变磁场，例如，通过使磁场源300旋转来使其取向从初始方向B0朝着方向B45°进行顺时针旋转(如在图5b中示出的)。可替代地，可以使转换器200旋转。因此，使转换器200的层叠结构100、101从其初始状态转变至第二状态，在该第二状态下：
-由于磁场B的分量沿着y轴减小，所以第一层10将沿着y轴从最大延伸紧缩至较小平均延伸；
-此外第一层10将沿着x轴从最小延伸(最大收缩)伸展至较大平均延伸。
磁场的变化(通过在其方向上的旋转所引起)因此引发第一层10的变形的变化。后者将这些变化传递至在层叠结构100、101中被结合至第一层10的第二层20(和潜在的第三层30)。
如果继续使磁场的取向在顺时针方向上从方向B45°朝着方向B90°旋转(如在图5c中示出的)，则层叠结构100、101将从第二状态转变至第三状态，在该第三状态下：
-第一层仍沿着y轴从平均延伸紧缩至最小延伸(最大紧缩)；
-第一层沿着x轴从平均延伸伸展至沿着x轴的最大延伸，考虑到磁场与该轴的对齐。
磁场B在初始位置与第三位置之间的变化因此已经引起第一层10的变形的变化，该变化被传递至第二层20(以及潜在的第三层30)。压电材料的第二层20和压电材料的第三层30处于d33模式中，即，极化轴处于该层的平面中，并且因此在该材料中的电荷的生成对于该同一平面中的这些变形较敏感。
在根据本发明的所描述的有利配置的转换器200的情况下，第二层20和第三层30沿着其极化轴21、31在初始状态与第三状态之间经历从最大延伸至最小延伸(最大紧缩)的最大变形。因此，最大数量的电荷(例如，负电荷)可以被积聚在其中一个叉指式电极(例如，23、33)上,并且在发电机的其中一个电端子处被收集在例如电容装置上。
在磁场中使转换器200从初始状态转变至第三状态的该第一变化序列(从B0至B90°)因此可以在电端子202、203之间生成电位差：由于根据本发明的转换器200的配置，所以该电位差较大，从而确保在发电机400的紧凑配置中的转换器200的良好效率。
在第三状态下收集了电荷之后，电端子202、203之间的电位差为零，并且转换器200的结构处于被看作新初始状态的第四状态下。磁场中的变化(在顺时针方向上从B90°至B180°)将使层100、101的状态从第四初始状态转变至第五状态，在该第五状态下：
-第一层沿着y轴从最小延伸伸展至最大延伸，考虑到磁场与该轴的对齐。
-第一层沿着x轴从最大延伸紧缩至最小延伸(最大紧缩)。
第二层20(以及如果存在的话，第三层30)在第四初始状态与第五状态之间沿着其极化轴21、31经历从最小延伸状态至最大延伸状态的最大变形。因此，最大数量的电荷(例如，正电荷)可以被积聚在叉指式电极24、34中的另一个上,并且在发电机的其中一个电端子处被收集。
因此，本发明提出一种发电机400，该发电机400是紧凑的，包括有效的磁电转换器200，能够在磁场源300与转换器200之间的相对旋转运动的每四分之一圈生成大量电荷。
在一些情况下，磁场源300有利地被选择为使得充盈于壳体中的均匀磁场强度小于使磁致伸缩材料的第一层10达到磁饱和所需要的强度。因此，根据本发明的发电机400可以提供改进稳健性的优点。实际上，转换器200显示出对变形周期的更大机械阻力，这是因为磁致伸缩材料的第一层10在磁饱和模式中不起作用。与在发电机中的磁饱和下操作的转换器相比，根据本发明的转换器就变形周期而言的寿命可以增加10至1000倍。此外，当形成该转换器的磁致伸缩材料并不是各向同性的时，磁场的弱性会限制可能被施加至转换器的寄生转矩的振幅，从而倾向于将其优选变形轴放置为与磁场对齐。
示例性实施例
根据本发明的示例性实施例，层叠结构101是通过将第二层PZT(锆钛酸铅)20和第三层PZT(锆钛酸铅)30组装在第一层Terfenol-D(铽镝铁合金)10的各个表面上来形成。例如，层10具有圆形尺寸，1mm的厚度，以及2cm的直径。每一层PZT(锆钛酸铅)具有例如100微米的厚度和2cm的直径。在该示例性实施例中，每个第二层20和第三层30在其表面中的每一个上具有叉指式电极23、24、33、34。这种配置有利于在响应于变形而生成电荷时提高效率。这些电极呈梳子的形式；梳状的尖叉垂直于材料的极化轴。第二PZT层20和第三PZT层30具有分别处于该层的平面中的第一极化轴21和第二极化轴31。一层非导电粘合剂40被施加至待被组装的第二层20的表面；将第一层10放置在顶部上，在相反的位置。随后施加压力以便使第一层10和第二层20接触，并且使粘合层40均匀地铺展在界面处。按照该方式形成层叠结构100。
非导电粘合层41随后被施加至待被结合的第三层30的表面；将层叠结构100放置在顶部上，并且使第一层10的自由面定位在第三层30的胶粘面的前面相反面。第一极化轴21与第二极化轴31的对齐可以通过例如在视觉上使电极23、24和33、34的梳部对齐来执行。为了实现该对齐，还能够具有由电极中的一个和另一个携带的标记，从而给该电极提供能够容易被识别的局部形状。
随后施加压力以便使得待被胶粘的表面接触，并且使粘合层均匀地铺展在界面处。对齐准确度使得能够在两个极化轴21、31之间实现好于15°的对齐。可替代地，如上文提到的，极化轴可以在层叠结构101中被定位为相对于彼此成90°。
印刷电路50(背层，2cm的直径和几百微米的厚度)随后在其待被结合的其中一个表面上被胶粘(粘合层42)至例如第三层30的自由面。
施加粘合剂44或者其它非导电材料的薄膜，以便保护和隔离第一层Terfenol 10的侧边。随后施加导电材料条43(例如，导电粘合剂)以便电气地连接印刷电路50的电端子202、203和两个PZT层20、30的叉指式电极23、24、33、34。
磁电转换器200随后可以通过应用磁场B的变化(例如，通过使用旋转方向磁场)来在电端子202、203之间生成电位差。发电机400优选地包括限定壳体的磁场源300，磁场充盈于该壳体中；磁场的强度优选地被选择为小于导致第一磁致伸缩层10的磁饱和的强度。磁电转换器被布置在该壳体中，由所述磁场包围。转换器200与磁场源300之间的相对旋转移动会生成磁场的变化。
本发明不限于所描述的实施例，并且在不背离如由权利要求书限定的本发明的语境的情况下，可以提供替代实施例。

Claims (24)

1.一种磁电转换器(200)，所述磁电转换器(200)能够将磁场(B)的变化转换成两个电端子(202、203)之间的电位差，其中，所述转换器包括：
背层(50)，所述背层(50)包括所述两个电端子(202、203)；
布置在所述背层(50)上的层叠结构(100、101)，所述层叠结构(100、101)包括：磁致伸缩材料的第一层(10)，该第一层(10)规定了基准平面；以及压电材料的第二层(20)，该第二层(20)在平行于所述基准平面的由所述第二层(20)规定的平面中具有第一极化轴(21)，其中，所述第二层(20)包括电极(23、24)；
电连接装置，所述电连接装置用于将所述电极(23、24)连接至所述电端子(202、203)。
2.根据前述权利要求所述的磁电转换器(200)，其中，所述层叠结构(100、101)包括所述第一层(10)与所述第二层(20)之间的粘合层(40)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述第二层(20)的金属电极(23、24)是存在于所述第二层(20)的表面中的至少一个上或者侧边上的叉指式电极。
4.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述层叠结构(101)包括压电材料的第三层(30)，所述第三层(30)在由所述第三层(30)规定的平面中具有第二极化轴(31)，其中，所述第一层(10)被布置在所述第二层(20)与所述第三层(30)之间，并且所述第二极化轴(31)与所述第一极化轴(21)对齐，或者垂直于所述第一极化轴(21)，在15°内。
5.根据前述权利要求所述的磁电转换器(200)，其中，所述第三层(30)的金属电极(33、34)是存在于所述第三层(30)的表面中的至少一个上的叉指式电极。
6.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述压电材料由PZT、PMN-PT、PVDF、BaTiO3或者AlN构成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述磁致伸缩材料由结晶或者烧结的铽镝铁合金、铁镓合金、铽铁合金、铁钴合金、铁镍合金或者非晶铁硅硼合金构成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述层叠结构(100、101)和所述背层(50)的形状是圆形的。
9.根据前述权利要求所述的磁电转换器(200)，所述磁电转换器(200)具有小于3cm的直径和大于3的直径厚度比。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述背层(50)是印刷电路。
11.根据前述权利要求所述的磁电转换器(200)，其中，所述印刷电路(50)具有用于收集在所述电极(23、24、33、34)上生成的电荷的至少一种切换功能。
12.根据两项前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述印刷电路(50)具有用于储存在所述电极(23、24、33、34)上生成的电荷的至少一种储存功能。
13.根据三项前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，所述印刷电路(50)具有用于处理由在所述电极(23、24、33、34)上生成的电荷引发的电信号的至少一种处理功能。
14.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，用于将所述电极(23、24)连接至所述电端子(202、203)的所述电连接装置包括至少两个导电材料条(43)，所述至少两个导电材料条(43)被布置在所述层叠结构(100、101)的侧边上，且被布置在所述背层(50)的侧边或者边缘上。
15.根据前述权利要求所述的磁电转换器(200)，其中，所述第一层(10)的侧边通过绝缘材料层(44)而与所述导电材料条隔离。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，用于将所述电极(23、24)连接至所述电端子(202、203)的所述电连接装置包括至少两个引线接合。
17.根据权利要求1至13中任一项所述的磁电转换器(200)，其中，用于将所述电极(23、24)连接至所述电端子(202、203)的所述电连接装置包括所述层叠结构(100、101)中的至少两个导电过孔。
18.根据前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)，所述磁电转换器(200)包括被布置在所述层叠结构(100、101)与所述背层(50)之间的缓冲层，所述缓冲层的材料具有吸声性能。
19.一种发电机(400)，所述发电机(400)包括：
根据十八项前述权利要求中任一项所述的磁电转换器(200)；
在所述基准平面中生成磁场(B)的源(300)；其中，所述磁场源(300)和所述转换器(100)能够彼此相对旋转，从而改变所述磁场(B)在所述基准平面中的取向。
20.根据前述权利要求所述的发电机(400)，其中，所述磁场源(300)限定出壳体，所述磁场(B)充盈于所述壳体中，所述转换器(200)位于所述壳体中。
21.根据两项前述权利要求中任一项所述的发电机(400)，其中，所述磁场源(300)是Halbach筒。
22.一种制造磁电转换器(200)的方法，所述方法包括如下步骤：
提供磁致伸缩材料的第一层(10)；
提供压电材料的第二层(20)，所述第二层(20)在由所述第二层(20)规定的平面中具有第一极化轴(21)，并且包括电极(23、24)；
将所述第一层(10)与所述第二层(20)组装起来以形成层叠结构(100、101)；
将所述层叠结构(100、101)与背层(50)组装起来，以将至少一个压电材料层(20、30)的电极连接至两个电端子(202、203)。
23.根据前述权利要求所述的制造磁电转换器(200)的方法，所述方法包括如下步骤：
提供压电材料的第三层(30)，所述第三层(30)在由所述第三层(30)规定的平面中具有第二极化轴(31)，并且包括电极(33、34)；
将所述第一层(10)与所述第三层(30)组装起来，其中，所述第一层(10)被布置在所述第二层(20)与所述第三层(30)之间。
24.根据两项权利要求中任一项所述的制造磁电转换器(200)的方法，其中，结合的步骤包括：将粘合剂涂在待结合的层(10、20、30)的表面中的至少一个上，并且使所述表面接触。
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