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铁磁材料的微振发电与位移变磁导效应分析

2020-09-05 347 上传者：管理员

摘要：铁磁材料的位移变磁导效应显示了闭合磁路的有效磁导率随磁路间隙的增大而急剧减小，一对复合磁体间0.1mm的相对位移可以使磁路的有效磁导率发生近90%的变化，由此制成的位移变磁导型微振发电器件，能在低频（101～102Hz）微幅（～10-1mm）的机械振动下得到200多mv的电压输出，适当增加衔铁磁芯的质量，可以在更宽的频率范围内得到稳定的电压输出，实现了微幅振动发电，是一种无污染、不用消耗自然资源的发电方式，具有较高的研究价值和广泛的应用前景。

关键词：
位移变磁导
微振发电
有效磁导率
电磁学
研究价值
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自然界中所有运动物体（汽车、列车、舰船和飞机）的表面及内部，以及承载运动物体的平台（公路及铁路等）的表面或浅近表面都持续存在着低频（101～102Hz）和微幅（～10-1mm）机械振动。事实上任何物体的能耗均有相当部分转化为自身及周围物体的机械振动能量。如果能将这样的低频微幅机械振动能转化为电能或其它形式可资运用的能量，则将是又一种绿色能源获取方式。

利用振动能量发电的报道最早见于1996年。Williams等人首次研制了一种振动发电的微电机（MEMS）系统。其后不少学者对此进行了研究与改进，并使发电效能有了较大的提高。其中以Beeby（英国）为首的欧洲科学家小组在该领域进行了较多的工作。尽管自2001年以来，微振发电技术已取得可观进展，但其思路仍基本上沿用MEMS技术，并且将所得结果用于构建自带电源的系统。然而，微振发电并非不可用于大规模发电。2008年以色列科学家利用压电材料构建了世界上首条发电公路,这是应力条件下微振发电大规模应用的首个事例。最近，我们发现闭合磁路具有强烈的位移变磁导效应，一对复合磁体间0.1mm的相对位移可以使磁路的有效磁导率发生近90%的变化，设想通过机械振动改变磁体间相对位移，将带来磁路有效磁导率的巨大变化，从而在线圈中获得一持续的感应电势，实现机械振动能向电能的转化，这就是铁磁材料位移变磁导型微振发电。

1、铁磁材料的位移变磁导效应

如图1所示，是两个“U”形具有不同磁导率的锰锌铁氧体磁芯构成的长方形磁路，一个磁芯上用细铜丝绕有20匝线圈并用胶水固定，两磁芯间隙可以改变。

图1两个“U”形磁芯构成的长方形磁路

图2显示了绕在“U”型铁氧体材料上的线圈测出的电感与铁氧体柱面间距d之间实验数据曲线，电感L是在交流电桥施加给线圈频率为1kHz时用交流数字电桥测得的。由公式L=n2Vμ0μeff,(n为单位长度上线圈的匝数，V为线圈包围的磁芯体积，μ0为真空磁导率），可知电感与有效磁导率的关系ΔL/L0=Δμeff/μeff0，我们发现电感或者说铁氧体的有效磁导率随着铁氧体柱面间气隙的增大在急剧地减小，与气隙近似成反比例关系，即L∝1/d。当气隙增大到0.1mm时，位移变磁导（Δμeff/μeff0）达到90%。

图220匝的线圈电感与铁氧体柱面间距d之间实验数据曲线

图3带有气隙的闭合磁路

如图3所示，对于闭合磁路来说，我们根据安培环路定理和磁路定理可得，带有气隙的闭合磁路的有效磁导率为

公式1

若近似的认为两磁芯截面S1=S2，则可以得到磁路有效磁导率μ有效与气隙间距l2近似成反比关系。与图2所示结果L∝1/d相符合。

2、位移变磁导型微振发电

2.1器件表征

本实验样品采用的是磁导率相匹配的两个“U”形锰锌铁氧体，两个“U”形磁芯均宽16mm，高10mm，柱面厚度4.5mm×6mm。采用细铜丝在磁导率为5000的磁芯上绕制线圈1000匝，并用胶水固定。样品结构如图4所示。

图4位移变磁导型微振发电器件

将该样品装入自制的“十字型滑槽”，滑槽固定于激振器上。将绕有线圈的锰锌铁氧体磁芯固定于滑槽底端，另一锰锌铁氧体磁芯自由的置于其上，两磁芯截面正对。激振器与功率放大器相连接，由交流信号发生器提供所需之交变信号，由功率放大器控制激振器的振幅大小，用多功能数字电表测量线圈两端输出的电压。

2.2实验结果与讨论

我们首先把磁导率为5000的绕有线圈的“U”形锰锌铁氧体的线圈与多功能数字电表相连接，激振器与功率放大器相连接，由信号源提供交流信号。接通电源，分别将磁导率为5000、10000和15000的“U”形衔铁磁芯置于绕有线圈的磁芯上。调节功率放大器的输入电流I=1A，电压U=1V，激振器提供小振幅的机械振动，逐渐改变输入信号的频率，我们得到输出电压U随频率f的变化曲线，如图5所示。

图5线圈的输出电压随频率的变化曲线

由图5可以看出，在20Hz

激振器的机械振动引起铁氧体之间的距离变化，使得磁路的有效磁导率发生变化，从而使得通过线圈的的磁通量发生变化，根据电磁感应原理，在线圈两端得到了输出电压。

图6缠绕线圈的磁芯与质量不同的衔铁磁芯匹配时线圈输出电压随频率的变化曲线

在此我们对磁导率为5000和10000匹配的磁芯进行进一步实验研究，发现适当增加自由衔铁磁芯的质量，可以在更宽的频率范围内得到稳定的电压输出，如图6所示（bt-不加重，jz-加重）。从图示曲线可以看出，增加衔铁磁芯的质量后，输出稳定电压的频率范围由单体时120Hz

3、结论

该实验显示闭合磁路的有效磁导率随磁路间隙的增大而急剧减小，由此制成的位移变磁导型微振发电器件，能在低频（101～102Hz）微幅（～10-1mm）的机械振动下实现机械能向电能的转化，虽然输出电压较低，但器件制备方法简单，若能实现多个器件的有效串联或并联，必将得到更大的输出电压或电流，且是一种无污染、不用消耗自然资源的发电方式，具有极高的研究价值和广泛的应用前景。

参考文献：

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基金:江苏省宿迁市科技计划资助K201923