[发明专利]包括磁电转换器的发电机及关联制造方法

说明书

本发明涉及发电机，该发电机包括：转换器(200)，其包括两个电端子，转换器能够将磁场(B)的变化转换成两个电端子之间的电位差并且包括各向异性磁致伸缩材料的第一层和压电材料的第二层的层叠结构，第一层规定了基准平面，第一层在基准平面中具有至少一个变形优先轴(4、5)，第二层在与基准平面平行的由第二层规定的平面中具有极化轴，第一层的变形优先轴(4、5)在15°内与第二层的极化轴对齐；以及在基准平面中生成磁场(B)的磁场源(300)，其强度不足以使第一层的材料达到磁饱和，磁场源(300)和转换器(200)能够彼此相对旋转以便使得磁场(B)的取向在基准平面中发生变化。

技术领域

本发明涉及能量回收装置的领域。本发明尤其涉及发电机和能够将磁能变化转换成电位差的转换器，以及关联的制造方法。磁电转换器包括磁致伸缩(magnetostrictive)材料层和压电材料层的层叠结构。

背景技术

磁致伸缩通常对应于机械形式与磁性形式之间的能量的可逆交换。最著名的磁致伸缩效应是焦耳效应。其对应于铁磁杆在磁场的影响下的膨胀(在正磁致伸缩系数的情况下)或者收缩(在负系数的情况下)。在没有磁场的情况下，该杆理论上返回至其原始形式。在磁场的方向上的纵向膨胀的情况下，在横向方向上会出现收缩以便使杆的体积维持大体上恒定。

当磁力线使磁致伸缩材料块达到磁饱和时，无论材料是各向同性的还是各向异性的，变形沿着平行于这些场力线的轴都处于其最大。当各向异性磁致伸缩材料块并未达到磁饱和时，其具有变形优先轴，这是该块的固有性质，取决于材料的晶体取向。变形优先轴表示在存在平行于该轴的磁场的情况下变形振幅处于其最大的轴。术语“变形优先轴”和“磁化优先轴”表示相同轴，并且因此将在本文中可交换地进行使用。

压电现象是在机械应力的影响下生成电荷。在压电材料中，已知的是PZT(铅、锆和钛的合金)。可以通过在显著低于其居里温度的温度下的热处理，来使PZT(配备有两个电极)能够被预极化，在此期间将电压施加至电极。在这种情况下，在从一个电极至另一电极的方向上建立了材料的极化轴。该极化尤其确定如下电极，响应于被施加至压电材料的应力而会在该电极上出现过量电荷。就包括平行的上表面和下表面的一层PZT材料而论，由于各个表面上存在电极，所以极化轴可以被定向在垂直于这些表面的方向上。可替代地，在该层的两个表面中的至少一个上使用指叉式电极的情况下，极化轴可以被定向在平行于这些表面的方向上。在后一种情况下，极化轴平行于这些表面的平面并且垂直于形成指叉式电极的导电材料的指状物。为了将应力/变形转换成电极端子处的电位差，因此可以取决于张力是否垂直于极化轴(被称为d₃₁的模式)或者该变形是否平行于极化轴(被称为d₃₃的模式)来采用两种特定模式中的一种。

从现有技术(T.Lafont等，“Magnetostrictive-piezoelectric compositestructures for energy harvesting”，Journal of Micromechanics andMicroengineering,no.22,2012)得知，发电机包括磁场源(其场力线平行于基准平面)以及能够将磁场的变化转换成两个电端子之间的电位差的磁电转换器。一方面，该转换器由机电换能器构成，该机电换能器包括能够将机械变形转变成连接至其电极的两个电端子之间的电位差的压电层。该转换器还由磁致伸缩层构成，该磁致伸缩层根据基准平面且没有自由度地被固定至机电换能器，其能够将磁场的变化转换成被施加至机电换能器的机械变形。

在转换器上方具有旋转移动(从而允许改变磁场在基准平面中的取向)的永磁铁的情况下，该文档建议使用各向同性磁致伸缩材料并且尤其是FeSiB(基于铁、硅和硼的合金)。在这种情况下，磁致伸缩层的变形优先轴遵循基准平面中的磁场的取向，并且不提供作为对磁铁的旋转的反应的任何反向转矩。

然而，该材料具有非常低的磁致伸缩系数，这会导致转换器的低转换效率。转换器的转换效率被定义为，关于待恢复的能量的给定变化(磁场的变化)而生成的电能的量(即，两个电端子之间的电位差)。