鐵磁材料的位移變磁導(dǎo)效應(yīng)與微振發(fā)電

高劍森

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷223800）

自然界中所有運動物體（汽車、列車、艦船和飛機(jī)）的表面及內(nèi)部，以及承載運動物體的平臺（公路及鐵路等）的表面或淺近表面都持續(xù)存在著低頻（101～102Hz）和微幅（～10-1mm）機(jī)械振動。事實上任何物體的能耗均有相當(dāng)部分轉(zhuǎn)化為自身及周圍物體的機(jī)械振動能量。如果能將這樣的低頻微幅機(jī)械振動能轉(zhuǎn)化為電能或其它形式可資運用的能量，則將是又一種綠色能源獲取方式。

利用振動能量發(fā)電的報道最早見于1996 年。Williams 等人首次研制了一種振動發(fā)電的微電機(jī)（MEMS）系統(tǒng)。其后不少學(xué)者對此進(jìn)行了研究與改進(jìn)，并使發(fā)電效能有了較大的提高。其中以Beeby（英國）為首的歐洲科學(xué)家小組在該領(lǐng)域進(jìn)行了較多的工作。盡管自2001 年以來，微振發(fā)電技術(shù)已取得可觀進(jìn)展，但其思路仍基本上沿用MEMS 技術(shù)，并且將所得結(jié)果用于構(gòu)建自帶電源的系統(tǒng)。然而，微振發(fā)電并非不可用于大規(guī)模發(fā)電。2008年以色列科學(xué)家利用壓電材料構(gòu)建了世界上首條發(fā)電公路,這是應(yīng)力條件下微振發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的首個事例。最近，我們發(fā)現(xiàn)閉合磁路具有強烈的位移變磁導(dǎo)效應(yīng)，一對復(fù)合磁體間0.1mm 的相對位移可以使磁路的有效磁導(dǎo)率發(fā)生近90%的變化，設(shè)想通過機(jī)械振動改變磁體間相對位移，將帶來磁路有效磁導(dǎo)率的巨大變化，從而在線圈中獲得一持續(xù)的感應(yīng)電勢，實現(xiàn)機(jī)械振動能向電能的轉(zhuǎn)化，這就是鐵磁材料位移變磁導(dǎo)型微振發(fā)電。

1 鐵磁材料的位移變磁導(dǎo)效應(yīng)

如圖1 所示，是兩個“U”形具有不同磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體磁芯構(gòu)成的長方形磁路，一個磁芯上用細(xì)銅絲繞有20 匝線圈并用膠水固定，兩磁芯間隙可以改變。鐵氧體柱面間距d 之間實驗數(shù)據(jù)曲線，電感L 是在交流電橋施加給線圈頻率為1kHz 時用交流數(shù)字電橋測得的。由公式L=n2V μ0μeff，（n 為單位長度上線圈的匝數(shù)，V 為線圈包圍的磁芯體積，μ0為真空磁導(dǎo)率），可知電感與有效磁導(dǎo)率的關(guān)系ΔL/L0=Δμeff/μeff0，我們發(fā)現(xiàn)電感或者說鐵氧體的有效磁導(dǎo)率隨著鐵氧體柱面間氣隙的增大在急劇地減小，與氣隙近似成反比例關(guān)系，即L∝1/d。當(dāng)氣隙增大到0.1mm 時，位移變磁導(dǎo)（Δμeff/μeff0）達(dá)到90%。

圖1 兩個“U”形磁芯構(gòu)成的長方形磁路

圖2 20 匝的線圈電感與鐵氧體柱面間距d 之間實驗數(shù)據(jù)曲線

圖3 帶有氣隙的閉合磁路

如圖3 所示，對于閉合磁路來說，我們根據(jù)安培環(huán)路定理和磁路定理可得，帶有氣隙的閉合磁路的有效磁導(dǎo)率為

可以得到磁路有效磁導(dǎo)率μ有效與氣隙間距l(xiāng)2近似成反比關(guān)系。與圖2 所示結(jié)果L∝1/d 相符合。

2 位移變磁導(dǎo)型微振發(fā)電

2.1 器件表征

本實驗樣品采用的是磁導(dǎo)率相匹配的兩個“U”形錳鋅鐵氧體，兩個“U”形磁芯均寬16mm，高10mm，柱面厚度4.5mm×6mm。采用細(xì)銅絲在磁導(dǎo)率為5000 的磁芯上繞制線圈1000 匝，并用膠水固定。樣品結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 位移變磁導(dǎo)型微振發(fā)電器件

將該樣品裝入自制的“十字型滑槽”，滑槽固定于激振器上。將繞有線圈的錳鋅鐵氧體磁芯固定于滑槽底端，另一錳鋅鐵氧體磁芯自由的置于其上，兩磁芯截面正對。激振器與功率放大器相連接，由交流信號發(fā)生器提供所需之交變信號，由功率放大器控制激振器的振幅大小，用多功能數(shù)字電表測量線圈兩端輸出的電壓。

2.2 實驗結(jié)果與討論

我們首先把磁導(dǎo)率為5000 的繞有線圈的“U”形錳鋅鐵氧體的線圈與多功能數(shù)字電表相連接，激振器與功率放大器相連接，由信號源提供交流信號。接通電源，分別將磁導(dǎo)率為5000、10000 和15000 的“U”形銜鐵磁芯置于繞有線圈的磁芯上。調(diào)節(jié)功率放大器的輸入電流I=1A，電壓U=1V，激振器提供小振幅的機(jī)械振動，逐漸改變輸入信號的頻率，我們得到輸出電壓U 隨頻率f 的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 線圈的輸出電壓隨頻率的變化曲線

由圖5 可以看出，在20Hz

激振器的機(jī)械振動引起鐵氧體之間的距離變化，使得磁路的有效磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而使得通過線圈的的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端得到了輸出電壓。

圖6 纏繞線圈的磁芯與質(zhì)量不同的銜鐵磁芯匹配時線圈輸出電壓隨頻率的變化曲線

在此我們對磁導(dǎo)率為5000 和10000 匹配的磁芯進(jìn)行進(jìn)一步實驗研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加自由銜鐵磁芯的質(zhì)量，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的電壓輸出，如圖6 所示（bt- 不加重，jz- 加重）。從圖示曲線可以看出，增加銜鐵磁芯的質(zhì)量后，輸出穩(wěn)定電壓的頻率范圍由單體時120Hz

3 結(jié)論

該實驗顯示閉合磁路的有效磁導(dǎo)率隨磁路間隙的增大而急劇減小，由此制成的位移變磁導(dǎo)型微振發(fā)電器件，能在低頻（101～102Hz）微幅（～10-1mm）的機(jī)械振動下實現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，雖然輸出電壓較低，但器件制備方法簡單，若能實現(xiàn)多個器件的有效串聯(lián)或并聯(lián)，必將得到更大的輸出電壓或電流，且是一種無污染、不用消耗自然資源的發(fā)電方式，具有極高的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。