鐵磁材料的位移變磁導效應與微振發電

高劍森

（宿遷學院，江蘇 宿遷223800）

自然界中所有運動物體（汽車、列車、艦船和飛機）的表面及內部，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存在著低頻（101～102Hz）和微幅（～10-1mm）機械振動。事實上任何物體的能耗均有相當部分轉化為自身及周圍物體的機械振動能量。如果能將這樣的低頻微幅機械振動能轉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。

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

1 鐵磁材料的位移變磁導效應

如圖1 所示，是兩個“U”形具有不同磁導率的錳鋅鐵氧體磁芯構成的長方形磁路，一個磁芯上用細銅絲繞有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 之間實驗數據曲線，電感L 是在交流電橋施加給線圈頻率為1kHz 時用交流數字電橋測得的。由公式L=n2V μ0μeff，（n 為單位長度上線圈的匝數，V 為線圈包圍的磁芯體積，μ0為真空磁導率），可知電感與有效磁導率的關系ΔL/L0=Δμeff/μeff0，我們發現電感或者說鐵氧體的有效磁導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系，即L∝1/d。當氣隙增大到0.1mm 時，位移變磁導（Δμeff/μeff0）達到90%。

圖1 兩個“U”形磁芯構成的長方形磁路

圖2 20 匝的線圈電感與鐵氧體柱面間距d 之間實驗數據曲線

圖3 帶有氣隙的閉合磁路

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

可以得到磁路有效磁導率μ有效與氣隙間距l2近似成反比關系。與圖2 所示結果L∝1/d 相符合。

2 位移變磁導型微振發電

2.1 器件表征

本實驗樣品采用的是磁導率相匹配的兩個“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。采用細銅絲在磁導率為5000 的磁芯上繞制線圈1000 匝，并用膠水固定。樣品結構如圖4 所示。

圖4 位移變磁導型微振發電器件

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，用多功能數字電表測量線圈兩端輸出的電壓。

2.2 實驗結果與討論

我們首先把磁導率為5000 的繞有線圈的“U”形錳鋅鐵氧體的線圈與多功能數字電表相連接，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，分別將磁導率為5000、10000 和15000 的“U”形銜鐵磁芯置于繞有線圈的磁芯上。調節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

激振器的機械振動引起鐵氧體之間的距離變化，使得磁路的有效磁導率發生變化，從而使得通過線圈的的磁通量發生變化，根據電磁感應原理，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

在此我們對磁導率為5000 和10000 匹配的磁芯進行進一步實驗研究，發現適當增加自由銜鐵磁芯的質量，可以在更寬的頻率范圍內得到穩定的電壓輸出，如圖6 所示（bt- 不加重，jz- 加重）。從圖示曲線可以看出，增加銜鐵磁芯的質量后，輸出穩定電壓的頻率范圍由單體時120Hz

3 結論

該實驗顯示閉合磁路的有效磁導率隨磁路間隙的增大而急劇減小，由此制成的位移變磁導型微振發電器件，能在低頻（101～102Hz）微幅（～10-1mm）的機械振動下實現機械能向電能的轉化，雖然輸出電壓較低，但器件制備方法簡單，若能實現多個器件的有效串聯或并聯，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電方式，具有極高的研究價值和廣泛的應用前景。