CN113380943A - 利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法，包括由磁致伸缩材料和压电材料所构成的复合结构磁电耦合器件，根据交变的磁场在磁电耦合器件产生幅值最大的交变电压时的磁场，在磁电耦合器件周围设计提供直流偏置磁场的永磁体分布位置，使得磁电耦合器件工作在最佳直流偏置磁场中。使用永磁体安放在磁电耦合器件周围，提供适当的直流偏置磁场，提高了磁电耦合系数并提高了磁电耦合器件的性能。相比于传统的使用电磁铁和亥姆霍兹线圈的方法来提高磁电耦合系数，本发明大大缩小了器件的尺寸，使其能够应用于便携设备之中。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁电耦合技术，特别涉及一种利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法。
背景技术
磁电耦合效应：磁电耦合效应是指磁场控制电场极化或者电场控制磁性变化的物理现象。这一效应可以实现磁能与电能的相互转化，从而应用于回转器，电流传感器以及磁场传感器的制造之中。磁电耦合效应通常是由磁致伸缩材料和压电材料所组成的复合结构产生的，其中磁致伸缩材料实现磁能与机械能的相互转化，压电材料实现电能和机械能的相互转化，通过这两种材料的结合实现了磁场控制电场或电场控制磁场，磁电耦合效应的强弱由磁电耦合系数来衡量，磁电耦合系数是指产生的磁场与施加的电场之比或产生的电场与施加的磁场之比。这一比值越大，磁电耦合效应越强。磁电耦合系数的大小与直流偏置磁场有关，在某一特定强度的偏置磁场下，磁电耦合系数将达到最大值。
磁致伸缩材料是一种受到磁场影响时发生形变或受到外力作用发生形变时产生磁场的材料。基于磁电复合结构的磁电耦合效应被广泛应用于制造回转器，电流传感器与磁场传感器等器件。例如，通过分析由磁电耦合效应产生的电压信号，可以推断出器件周围的磁场，实现磁场传感器的功能。或者使用线圈缠绕在磁电耦合器件周围就可以构成回转器：一端输入电流信号，由电流信号产生的磁场由于磁电耦合效应产生对应的电压信号，实现了回转器的功能。为了获得更高的效率或灵敏度，通常这些器件需要较高的磁电耦合系数。传统的提高器件的磁电耦合系数的方法是使用电磁铁或亥姆霍兹线圈产生一个合适的直流偏置磁场，但是这种方法有着体积过大，重量过重等劣势，使其无法小型化，便携化。
发明内容
针对现在提高磁电耦合系数方法所需设备过于笨重，无法小型化、便携化的不足的问题，提出了一种利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法。
本发明的技术方案为：一种利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法，包括由磁致伸缩材料和压电材料所构成的复合结构磁电耦合器件，根据交变的磁场在磁电耦合器件产生幅值最大的交变电压时的磁场，在磁电耦合器件周围设计提供直流偏置磁场的永磁体分布位置，使得磁电耦合器件工作在最佳直流偏置磁场中。
进一步，所述永磁体置于磁致伸缩材料远离压电材料的一面，或者数个永磁体在整个磁电耦合器件周围等弧长阵列环绕安放，提供直流偏置磁场。
本发明的有益效果在于：本发明利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法，使用永磁体安放在磁电耦合器件周围，提供适当的直流偏置磁场，提高了磁电耦合系数并提高了磁电耦合器件的性能。相比于传统的使用电磁铁和亥姆霍兹线圈的方法来提高磁电耦合系数，本发明大大缩小了器件的尺寸，使其能够应用于便携设备之中。
附图说明
图1为典型磁电耦合器件的结构示意图；
图2为本发明磁电耦合器件新增永磁体实施例一结构示意图；
图3为本发明磁电耦合器件新增永磁体实施例二结构示意图；
图4为本发明磁电耦合器件新增永磁体实施例三结构示意图。
附图标识：1、磁致伸缩材料；2、压电材料；3、导线；4、永磁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明公开的一种利用永磁体提高磁电耦合系数的方法具体包括以下内容：
现有磁电耦合器件多是由磁致伸缩材料1和压电材料2所构成的复合结构，其中磁致伸缩材料1在受到磁场作用时会发生对应形变，或在外力影响下发生形变时能够产生磁场。类似的，压电材料2在外力影响下发生形变时两端面会产生电压，或在两端面施加电压时会产生对应形变。将磁致伸缩材料1和压电材料2粘合在一起后，如果受到空间中磁场的作用，磁致伸缩材料将产生形变，由于压电材料2和磁致伸缩材料1连接在一起，这一形变将导致压电材料2也同步发生形变，从而使其两端产生对应电信号。如果对压电材料2施加电压，压电材料的形变也将迫使磁致伸缩材料1同步形变，从而产生对应的磁场。这样就实现了磁场控制电场极化或电场控制磁性变化。在利用磁电耦合效应制造器件时，通常使用交流的电信号来产生交流的磁场，实现电磁波的发射与无线通讯或者能量的转换。由于磁致伸缩材料1的形变——磁场强度曲线的斜率不是一个常数：斜率会先增大后减小，因此在斜率最高的地方为磁电耦合器件的最佳工作点，此时交变的磁场能产生幅值最大的交变电压。对磁电耦合器件施加此点所对应的直流偏置磁场，磁电耦合系数将达到最大。通过在磁电耦合器件周围安置永磁体，使得磁电耦合器件工作在最佳直流偏置磁场中，实现磁电耦合系数的提升以及磁电耦合器件性能的提高。
图1所示为一种典型的磁电耦合器件的结构示意图，可以实现电磁信号与电信号的互相转换，从而实现电磁波的接收或回转器的功能。这一典型器件有着磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料的三层复合结构，三层结构之间使用树脂胶等方法粘连。两个磁致伸缩材料1中间穿有导线3，导线3中通电形成交变磁场，磁致伸缩材料1在空间交变磁场的作用下将会发生形变，这一形变将带动中间的压电材料2同步形变，压电材料2中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致压电材料2发生宏观极化，压电材料2受压力作用形变时两端面会出现异号电荷形成电场，压电材料的两侧将产生对应的电信号。通过检测这一电信号实现了电磁信号到电信号的转换。这一典型器件可以实现众多功能：在器件外围缠绕线圈并通过线圈输入电流信号，线圈产生的磁场就可以经由磁电耦合效应产生对应的电压，该器件可以实现回转器的功能；使用器件接收空间中的电磁波，该器件可以实现无线通信的功能。
为了提高磁电耦合器件的性能，如回转器的效率、磁场传感器的灵敏度等参数，需要更高的磁电耦合系数。如图2、图3和图4所示永磁体设计安装位置实施例图，在磁电耦合器件一个磁致伸缩材料远离压电材料的一面、两个磁致伸缩材料远离压电材料的一面或者整个磁电耦合器件周围等弧长阵列环绕安放永磁体4来提供直流偏置磁场，使得磁致伸缩材料作用于压电材料的形变变化率达到最大，从而提高磁电耦合器件的磁电耦合系数。永磁体安装位置和个数根据磁电耦合器件具体结构设计。
由以上可知，本发明的一种利用永磁体提高磁电耦合系数的方法，其通过永磁体为磁电耦合器件提供了直流偏置磁场，提高了磁电耦合器件的磁电耦合系数，提高了磁电耦合器件的性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法，包括由磁致伸缩材料和压电材料所构成的复合结构磁电耦合器件，其特征在于，根据交变的磁场在磁电耦合器件产生幅值最大的交变电压时的磁场，在磁电耦合器件周围设计提供直流偏置磁场的永磁体分布位置，使得磁电耦合器件工作在最佳直流偏置磁场中。
2.根据权利要求1所述利用永磁体提高磁电耦合器件的磁电耦合系数的方法，其特征在于，所述永磁体置于磁致伸缩材料远离压电材料的一面，或者数个永磁体在整个磁电耦合器件周围等弧长阵列环绕安放，提供直流偏置磁场。
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