專利名稱：一種磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可以將空間電磁能量轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。
背景技術(shù)：
自然環(huán)境中存在各種各樣的能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、振動能等等，如果能夠?qū)⒆匀唤绱嬖诘母鞣N能源轉(zhuǎn)換成電能，這將是人類社會取之不盡、用之不竭的寶貴財富。利用自然環(huán)境中已知的各種能源，將之轉(zhuǎn)換成電能的各種技術(shù)和裝置也層出不窮。但自然環(huán)境中還有一種能源是被人們所忽略了的，那就是空間電磁能?？臻g環(huán)境中如廣播電視塔、無線通訊設(shè)備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，同 時，環(huán)境中的電磁能能量有很好的空間分布性和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⑦@些電磁能加以利用，轉(zhuǎn)換成電能，這對特殊情況下滿足電能的需求，至少對減少空間電磁污染具有實際意義。而且電磁能的轉(zhuǎn)換相對于太陽能而言，不用考慮黑夜以及天氣影響；也不需要像振動能轉(zhuǎn)換那樣需要與振動源物理接觸。壓電材料是一種在外力作用下產(chǎn)生電荷的功能材料，具有單晶、陶瓷、有機(jī)和復(fù)合多種類型。壓電材料極化后，在外力的作用下，壓電材料的表面就會產(chǎn)生電荷，這就是壓電效應(yīng)。磁致伸縮材料是一種在磁場磁化的作用下，隨著自身磁化狀態(tài)改變發(fā)生彈性形變的功能材料，具有金屬、合金、鐵氧體、稀土超磁致伸縮材料等類型。磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)利用乘積效應(yīng)通過機(jī)械彈力將兩相材料的作用相互耦合，產(chǎn)生磁電率禹合效應(yīng)。在一定強(qiáng)度的偏置磁場下，置于交變電磁場中的磁致伸縮材料由于磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生周期性的形變，形變通過界面機(jī)械力耦合將周期性形變傳遞給壓電材料，壓電材料也隨之產(chǎn)生周期性的形變，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，由此實現(xiàn)了電磁能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用磁電耦合效應(yīng)可以將空間電磁波能量轉(zhuǎn)化為電能的器件。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，如圖4所示，包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，基板5和支撐結(jié)構(gòu)6 ;所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)由壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2緊貼在一起復(fù)合而成，其中壓電材料塊(I)能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的兩個面上鍍有金屬電極并焊有金屬導(dǎo)線；所述支撐結(jié)構(gòu)6是由絕緣材料制成的U型槽結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，在U型槽對稱的兩個側(cè)面板內(nèi)側(cè)上固定有一對相異磁極的永磁體8 ;所述基板5由彈性金屬材料或有機(jī)彈性材料制成,磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)固定于基板5上,而基板5固定于支撐結(jié)構(gòu)6上并使得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)位于所述一對相異磁極的永磁體8所產(chǎn)生的磁場中間。
如圖Ia至圖Ie所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的緊貼復(fù)合方式可以是疊層式復(fù)合，由相同形狀的單片壓電材料塊I和單片磁致伸縮材料塊2層疊粘接而成，或由形狀相同的兩片磁致伸縮材料塊2夾一片壓電材料塊I層疊粘接而成；壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的形狀可以是矩形片狀、圓片狀或環(huán)片狀。如圖If所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的緊貼復(fù)合方式也可以是環(huán)片復(fù)合，即壓電材料塊I為環(huán)片狀而磁致伸縮材料塊2為圓片狀或環(huán)片狀，且圓片狀或環(huán)片狀的磁致伸縮材料塊2鑲嵌于環(huán)片狀壓電材料塊I的內(nèi)圓之中。如圖3a至圖3b所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板5上的固定方式可以是單面固定或雙面對稱固定。所謂單面固定是指在基板單面固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，而另一面不固定磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)；所謂雙面對稱固定是指在基板正反兩面分別固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述支撐結(jié)構(gòu)6地板上可以具有一個固定基板所需的凹槽。
采用本發(fā)明提供的多個磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置可形成陣列結(jié)構(gòu)，其中多個磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置的多個壓電材料塊I之間采用金屬導(dǎo)線形成串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以將更多的電磁能量轉(zhuǎn)換成電能并提供更大的功率輸出。本發(fā)明提供的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置核心原理在于利用磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁電耦合效應(yīng)。在一定強(qiáng)度的偏置磁場下，置于交變電磁場中的磁致伸縮材料由于磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生周期性的形變，形變通過界面機(jī)械力耦合將周期性形變傳遞給壓電材料，壓電材料也隨之產(chǎn)生周期性的形變，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，由此實現(xiàn)了電磁能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可用于無人值守環(huán)境中，為無線傳感器提供電能，免去攜帶和更換電池的不便；也可用于電磁污染環(huán)境的檢測和清潔領(lǐng)域。


圖Ia矩形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib矩形三層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ic圓形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖Id圓形三層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ie環(huán)形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖If環(huán)-片磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖2支撐結(jié)構(gòu)6的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板5上的單面固定示意圖。圖3b磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板5上雙面對稱固定示意圖。圖4本發(fā)明提供的磁電復(fù)合電磁能量轉(zhuǎn)換裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及其實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明?！N磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，如圖4所示，包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，基板5和支撐結(jié)構(gòu)6 ;所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)由壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2緊貼在一起復(fù)合而成，其中壓電材料塊(I)能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的兩個面上鍍有金屬電極并焊有金屬導(dǎo)線；所述支撐結(jié)構(gòu)6是由絕緣材料制成的U型槽結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，在U型槽對稱的兩個側(cè)面板內(nèi)側(cè)上固定有一對相異磁極的永磁體8 ;所述基板5由彈性金屬材料或有機(jī)彈性材料制成,磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)固定于基板5上,而基板5固定于支撐結(jié)構(gòu)6上并使得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)位于所述一對相異磁極的永磁體8所產(chǎn)生的磁場中間。如圖Ia至圖Ie所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的緊貼復(fù)合方式可以是疊層式復(fù)合，由相同形狀的單片壓電材料塊I和單片磁致伸縮材料塊2層疊粘接而成，或由形狀相同的兩片磁致伸縮材料塊2夾一片壓電材料塊I層疊粘接而成；壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的形狀可以是矩形片狀、圓片狀或環(huán)片狀。如圖If所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊I和磁致伸縮材料塊2的緊貼復(fù)合方式也可以是環(huán)片復(fù)合，即壓電材料塊I為環(huán)片狀而磁致伸縮材料塊2為圓片狀或環(huán)片狀，且圓片狀或環(huán)片狀的磁致伸縮材料塊2鑲嵌于環(huán)片狀壓電材料塊I的內(nèi)圓之中。如圖3a至圖3b所示，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板5上的固定方式可以是單面固定或雙面對稱固定。所謂單面固定是指在基板單面固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，而另一面不固定 磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)；所謂雙面對稱固定是指在基板正反兩面分別固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述支撐結(jié)構(gòu)6地板上可以具有一個固定基板所需的凹槽。本發(fā)明提供的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置中，關(guān)于關(guān)鍵部件磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料選擇和制備上，需要說明的是I、壓電材料的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用選擇所需的壓電材料，比如選擇壓電性能好廉價的壓電陶瓷PZT系列；也可選擇單晶的鈮鎂酸鹽-鈦酸鉛(PMN-PT);有機(jī)壓電材料偏四氟乙烯(PVDF);或無鉛壓電材料等。按照尺寸切割，可以選擇矩形，圓形和環(huán)片等形狀。2、磁致伸縮材料的選擇根據(jù)具體的應(yīng)用選擇所需的磁致伸縮材料，比如價格便宜的金屬和鐵氧體，或者磁致伸縮效應(yīng)大的鐵鎵合金、銻鏑合金等。按照尺寸切割，可以選擇矩形，圓形和環(huán)片等形狀。3、基板材料的選擇材質(zhì)和尺寸根據(jù)具體需要選擇彈性好，粘接性好,抗疲勞性突出的金屬材料，如銅，錳鋼等，還可以選擇彈性較好的有機(jī)材料，如高彈性聚氯乙烯等；按照尺寸切割時，寬度要保證磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)完整的安裝在基板表面。4、在壓電材料塊具有壓電效應(yīng)的表面上鍍金屬電極，并在70°C的硅油中用2KV/mm的電場極化。壓電材料的極化方向和磁致伸縮材料的磁化方向根據(jù)所選用的工作模式?jīng)Q定。5、磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)與基板之間涂抹粘接劑，再將樣品放置在兩平板之間施加相應(yīng)的壓力，可以適當(dāng)施加溫度，保證磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)與基板材料粘接完好。本發(fā)明所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置具有多種用途，在無線傳感技術(shù)方面，以及自供能器件方面都有很好的利用。可以本發(fā)明安裝在無人值守環(huán)境中為無線傳感器供電，免去攜帶和更換電池的不便。本發(fā)明可以收集各頻率的電磁波，但是在共振頻率下器件的收集效率更大。本發(fā)明還可用于電磁污染環(huán)境的檢測和清潔領(lǐng)域。實施例矩形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作選擇長度*寬*厚度為5mm的壓電材料PZT和長度*寬*厚度為5mm的磁致伸縮材料Terfenol_D。壓電材料的上下相對表面上鍍上電極，并在70°C的硅油中用2KV/mm的電場沿厚度方向進(jìn)行極化，工作在縱向振動模式。磁致伸縮材料在長度方向磁化，工作在橫向振動模式。
在壓電材料的兩電極上焊接導(dǎo)線，以直徑O. 5mm的絕緣導(dǎo)線為宜。在Terfenol-D的一面上涂上樹脂，保持與PZT材料的絕緣的基礎(chǔ)上，用勻膠機(jī)旋涂方式均勻減小樹脂厚度，以便Terfenol-D與PZT粘接緊密，得到盡量大的磁電性能。在Terfenol-D和PZT上涂一層熱固環(huán)氧樹脂，將樣品放在兩個金屬平板之間，進(jìn)行熱壓，冷卻降溫后即得到矩形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)?；宓闹谱鬟x擇長度*寬*厚度為40mm*20mm*l. 5mm的銅片。選擇兩個矩形雙層磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，分別在Terfenol-D的底面和基板的兩側(cè)涂一層熱固環(huán)氧樹脂，將樣品放在兩個金屬平板之間，進(jìn)行熱壓，冷卻降溫后磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)即可粘接固定在基板上。支撐結(jié)構(gòu)的制備選擇長度*寬為40mm*40mm,厚度分別為2mm, 2mm和3mm的3塊絕緣板，分別作為兩側(cè)邊板和底邊板。在厚度為3mm的底邊板的中心對稱位置加工長度* 寬*厚度為20mm*l. 5mm*2mm的凹槽。按照圖4所示將各部件組裝，并焊接兩導(dǎo)線，使得對稱的兩磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)并聯(lián)，即制作完成磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置。應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容做出的一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，包括磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，基板(5)和支撐結(jié)構(gòu)(6);所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)由壓電材料塊(I)和磁致伸縮材料塊(2)緊貼在一起復(fù)合而成，其中壓電材料塊(I)能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的兩個面上鍍有金屬電極并焊有金屬導(dǎo)線；所述支撐結(jié)構(gòu)(6)是由絕緣材料制成的U型槽結(jié)構(gòu)，在U型槽對稱的兩個側(cè)面板內(nèi)側(cè)上固定有一對相異磁極的永磁體(8);所述基板(5)彈性金屬材料或有機(jī)彈性材料制成，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)固定于基板(5)上，而基板(5)固定于支撐結(jié)構(gòu)(6)上并使得磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)位于所述一對相異磁極的永磁體(8 )所產(chǎn)生的磁場中間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊(I)和磁致伸縮材料塊(2)的緊貼復(fù)合方式是疊層式復(fù)合，由相同形狀的單片壓電材料塊(I)和單片磁致伸縮材料塊(2)層疊粘接而成，或由形狀相同的兩片磁致伸縮材料塊(2 )夾一片壓電材料塊(I)層疊粘接而成；壓電材料塊(I)和磁致伸縮材料塊(2 )的形狀是矩形片狀、圓片狀或環(huán)片狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中壓電材料塊(I)和磁致伸縮材料塊(2)的緊貼復(fù)合方式是環(huán)片復(fù)合，即壓電材料塊(I)為環(huán)片狀而磁致伸縮材料塊(2)為圓片狀或環(huán)片狀，且圓片狀或環(huán)片狀的磁致伸縮材料塊(2)鑲嵌于環(huán)片狀壓電材料塊(I)的內(nèi)圓之中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板(5)上的固定方式是單面固定，即在基板單面固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，而另一面不固定磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在基板(5)上的固定方式是雙面對稱固定，即在基板正反兩面分別固定一個磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)(6)地板上具有一個固定基板所需的凹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，采用多個所述磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置形成陣列結(jié)構(gòu)，其中多個磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置的多個壓電材料塊(I)之間采用金屬導(dǎo)線形成串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以將更多的電磁能量轉(zhuǎn)換成電能并提供更大的功率輸出。
全文摘要
一種磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置，屬于能源器件技術(shù)領(lǐng)域。所述磁電復(fù)合能量轉(zhuǎn)換裝置是由磁致伸縮材料和壓電材料粘接成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過彈性基板固定在支撐結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明利用磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁電耦合效應(yīng)可以將環(huán)境中的電磁能量轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明可用于無人值守環(huán)境中，為無線傳感器提供電能，免去攜帶和更換電池的不便；也可用于電磁污染環(huán)境的檢測和清潔領(lǐng)域。
文檔編號H02N2/18GK102891625SQ20121036432
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者李元勛, 劉穎力, 張懷武, 郁國良, 李頡, 左林, 李強(qiáng) 申請人:電子科技大學(xué), 東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院