利用Galfenol薄片的環(huán)境振動能量收集裝置

劉慧芳, 劉成龍, 谷艷玲, 趙俊杰, 張 靖

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870; 2. 香港城市大學(xué) 建筑學(xué)及土木工程系，香港 999077)

隨著低功耗超大規(guī)模集成電路設(shè)計和CMOS制造的發(fā)展，使得無線傳感器節(jié)點的功率消耗從mW級降到了μW級[1]。這些發(fā)展開辟了一個新的有趣研究領(lǐng)域，即通過將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能為這些設(shè)備供電[2-3]。環(huán)境振動因其豐富性而成為極具吸引力的能源，振動能量通常通過電磁、壓電、靜電傳導(dǎo)機(jī)制等轉(zhuǎn)化為電能[4]。目前，振動能量收集器雖然未能產(chǎn)生足夠驅(qū)動機(jī)器工作的能量，但是可提供少量能量來驅(qū)動低功耗電子設(shè)備。

目前，關(guān)于振動能量收集的研究多數(shù)是使用壓電材料實現(xiàn)，但該材料存在著蠕變、對機(jī)械沖擊或環(huán)境振動的低敏感性等固有的缺陷。近年來，超磁致伸縮材料的高磁機(jī)械轉(zhuǎn)換率性能引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。隨之發(fā)展了包括定位執(zhí)行器、泵、超聲換能器、控制伺服閥等[5-8]許多應(yīng)用。這些應(yīng)用全部是利用了該材料的磁致伸縮效應(yīng)，將電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換；另外，該材料還具有逆向能量轉(zhuǎn)換特性，即磁致伸縮逆效應(yīng)，材料在發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)時，機(jī)械應(yīng)力的變化將引起沿應(yīng)力方向的磁化強(qiáng)度成比例的變化，利用此特性可實現(xiàn)對振動能量的收集。

近年來，有關(guān)利用磁致伸縮逆效應(yīng)開展振動能量收集的研究逐步進(jìn)行。Huang等[9-10]利用磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合材料的磁電效應(yīng)，開發(fā)了一種混合能量轉(zhuǎn)換器。當(dāng)工作在30 Hz的5 m/s2振動下，可收集產(chǎn)生1.2 mW的電能。Berbyuk[11]利用棒狀Terfenol-D材料設(shè)計了振動能量收集裝置，平均功輸出率為3.2 W。Yoo等[12]利用以鋁層為襯底的超磁致伸縮薄膜制作了懸臂梁式振動能量收集裝置，輸出功率達(dá)到了2.2 mW。但是，由于棒狀Terfenol-D和超磁致伸縮薄膜的脆性較大，不適用重載、大形變的場合，相關(guān)研究僅停留在實驗階段，限制了進(jìn)一步應(yīng)用。

近年來，北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等在對薄片狀Galfenol磁致伸縮材料(即Fe-Ga合金)性能研究過程中，發(fā)現(xiàn)Fe-Ga合金薄片的良好的磁致伸縮性能，而且還有優(yōu)異的韌性。因此，本文以收集環(huán)境中的振動為目的，利用該材料的磁致伸縮逆效應(yīng)和法拉第電磁感應(yīng)的耦合特性，以薄片狀Fe-Ga合金為核心元件設(shè)計一種振動能量收集裝置。并以Jiles-Atherton磁化模型為基礎(chǔ)，結(jié)合懸臂梁彎曲理論建立感應(yīng)電壓與應(yīng)力、力和加速度間的數(shù)學(xué)關(guān)系；最后，對該裝置的工作特性進(jìn)行了綜合實驗研究。

1 振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 振動能量收集過程的實現(xiàn)原理

利用Fe-Ga薄片狀材料收集振動的基本原理是利用了磁致伸縮逆效應(yīng)和法拉第電磁感應(yīng)的耦合特性，實現(xiàn)過程如圖1所示。當(dāng)Fe-Ga合金薄片受到外界振動作用時薄片產(chǎn)生彎曲變形，隨之其將發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)，薄片內(nèi)部的磁疇在外力作用下發(fā)生運動和轉(zhuǎn)動，進(jìn)而導(dǎo)致薄片內(nèi)部的磁化狀態(tài)和磁通密度發(fā)生變化；當(dāng)材料周圍存在線圈時，磁致伸縮逆效應(yīng)會與法拉第電磁效應(yīng)相耦合，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，實現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化過程。

圖1 振動能量收集過程示意圖

1.2 Fe-Ga合金薄片的固定方式和激勵形式

根據(jù)振動能量收集過程的實現(xiàn)原理，F(xiàn)e-Ga合金薄片可被看作成梁，梁的常見固定方式主要有兩種，即簡支式和懸臂。簡支固定方式的一端為固定鉸鏈，另一端為活動鉸鏈，在固定端各點撓度為零，活動端各點的徑向撓度為零。懸臂固定方式為一端固定、另一端自由，固定端各點的撓度與轉(zhuǎn)角均為零。為確定Fe-Ga合金薄片的最佳固定方式，利用有限元方法分別對兩種固定方式薄片的受力狀態(tài)進(jìn)行分析[13]。

對于兩種固定方式的Fe-Ga合金薄片的靜力學(xué)特性的分析，采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合方法進(jìn)行。兩個Fe-Ga合金薄片的尺寸相同，長、寬、厚分別為100 mm、15 mm、0.5 mm，向Fe-Ga合金薄片施加負(fù)載為10 N的靜態(tài)力。對于懸臂固定方式，力作用在Fe-Ga合金薄片的自由端；對于簡支式固定，力作用在薄片的中心位置處。分析結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2可以看出，在靜態(tài)力作用下，簡支式Fe-Ga合金薄片的應(yīng)變分布對稱，應(yīng)變從中心處向兩端呈現(xiàn)出先逐漸減小后增大的規(guī)律，并且在兩固定端位置處應(yīng)變達(dá)到最大值(約為3.24×10-4)；大應(yīng)變產(chǎn)生的部位主要集中在兩端的固定位置周圍，薄片中間區(qū)域應(yīng)變量很小，應(yīng)變量分布梯度較大，薄片表面的平均應(yīng)變量為1.129 4×10-4。從圖3可以看出，懸臂式Fe-Ga合金薄片的應(yīng)變從固定端向自由端逐漸遞減，最大應(yīng)變產(chǎn)生在固定端，約為2.68×10-3，自由端應(yīng)變量很小；懸臂式Fe-Ga合金薄片的應(yīng)變分布較為均勻，平均應(yīng)變量達(dá)到了4.633 7×10-4，大應(yīng)變分布區(qū)域較廣，平均應(yīng)變量約是簡支式薄片的4倍。Fe-Ga合金的磁致伸縮逆效應(yīng)特性主要取決于其應(yīng)變量，因此在相同振動作用下，懸臂式薄片產(chǎn)生的磁化狀態(tài)變化更為顯著，實現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的效率更高，因此選擇懸臂式作為Fe-Ga合金薄片的固定方式。

(a)應(yīng)力分布圖

(b)應(yīng)變分布云圖

(c)軸線上的應(yīng)變分布圖

(a)應(yīng)力分布圖

(b)應(yīng)變分布云圖

(c)軸線上的應(yīng)變分布圖

圖3 懸臂式固定的薄片

Fig.3 Cantilever- fixed sheet

按外部激勵條件的不同，F(xiàn)e-Ga合金薄片的激勵方式分為三種：沖擊自由激勵、強(qiáng)制激勵和慣性激勵。沖擊自由激勵的作用時間很短，F(xiàn)e-Ga合金薄片瞬間會產(chǎn)生較大應(yīng)變，但持續(xù)時間短，難以實現(xiàn)持續(xù)供電的需求。強(qiáng)制激勵方式需要穩(wěn)定的激振源，而生活中的振動形式較復(fù)雜且不穩(wěn)定，因此Fe-Ga合金薄片不宜采用該激勵方式。本文選擇慣性激勵作為Fe-Ga合金薄片的激勵形式，雖然慣性激勵方式薄片的應(yīng)變量較小，但能夠持續(xù)較長時間，且可以充分利用各種不規(guī)律的振動，對機(jī)械振動進(jìn)行收集并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

1.3 振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)

從振動能量收集的實現(xiàn)原理出發(fā)，根據(jù)所確定的固定方式和激勵形式，對振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在處于振動環(huán)境中時，振動能量收集裝置隨著外力同步振動，配重塊在力的作用下帶動Fe-Ga合金薄片擺動，外界振動通過配重塊傳遞給Fe-Ga合金薄片。薄片受到外力作用后內(nèi)部磁疇產(chǎn)生運動或發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其內(nèi)部磁通密度發(fā)生變化，進(jìn)而在拾取線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

線圈與薄片之間的氣隙越大，系統(tǒng)的磁電轉(zhuǎn)換效率越低。因此為了對Fe-Ga合金薄片充分利用，即提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使線圈內(nèi)徑接近薄片尺寸以盡量減小氣隙，同時為了保證薄片能夠順暢擺動，最終選擇線圈形式為空心厚壁圓柱型。感應(yīng)電壓與線圈匝數(shù)成正比，因此環(huán)繞在薄片周圍的拾取線圈匝數(shù)應(yīng)盡可能地多；但是匝數(shù)過多會導(dǎo)致線圈體積和阻抗的增大；綜合考慮系統(tǒng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率以及線圈體積和阻抗等因素，拾取線圈的繞線直徑選擇為0.51 mm、匝數(shù)為1 000。適當(dāng)強(qiáng)度的偏置磁場會使磁致伸縮材料剛好進(jìn)入磁疇偏轉(zhuǎn)階段，進(jìn)而增強(qiáng)磁致伸縮逆效應(yīng)[14]。Fe-Ga合金薄片的易磁化方向為長度方向，偏置磁場可由偏置線圈或永磁體提供，偏置線圈具有磁場可調(diào)的優(yōu)點，永磁體可避免發(fā)熱問題，但是存在偏置磁場不可調(diào)的弊端[15-16]。為了便于實驗，本文采用偏置線圈的方式為Fe-Ga合金薄片提供偏置磁場。為了使偏置線圈產(chǎn)生的磁場更加均勻，同時提高Fe-Ga合金薄片對磁場的充分利用，根據(jù)磁通易通過低磁阻支路的原理，外殼和端蓋均選用磁阻較大、且加工性能好的的鋁合金材料。

(a) 三維模型(b)剖視圖

1. 拾取線圈骨架；2. 端蓋；3. 偏置線圈骨架；4. 外殼；5. 支架；6. 調(diào)節(jié)旋鈕；7. 伸縮條；8. Fe-Ga合金薄片；9. 配重塊

圖4 振動能量收裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 Structure of vibration energy harvesting device

當(dāng)外部激勵頻率與薄片固有頻率接近時，F(xiàn)e-Ga合金薄片會產(chǎn)生最大的應(yīng)變，此時磁致伸縮逆效應(yīng)特性顯著。因此，為了提高振動能量收集裝置的發(fā)電性能，提出在薄片的自由端部安裝一配重塊，以實現(xiàn)對系統(tǒng)固有頻率的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)整薄片的伸出長度，可實現(xiàn)對不同尺寸Fe-Ga合金薄片的安裝。

2 振動能量收集的機(jī)電耦合過程建模

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，F(xiàn)e-Ga合金薄片周圍拾取線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可表示為

(1)

式中：N為拾取線圈匝數(shù)，φ為磁通量，A為拾取線圈的截面面積，dB/dt為拾取線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。根據(jù)電磁學(xué)原理可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化強(qiáng)度M的關(guān)系為

B=μ0(M+H)

(2)

式中：μ0為真空狀態(tài)的導(dǎo)磁率，H為偏置磁場強(qiáng)度。將式(2)代入式(1)中，當(dāng)偏置磁場強(qiáng)度恒定不變時，拾取線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

(3)

如果確定了Fe-Ga合金薄片內(nèi)的平均磁化強(qiáng)度M，即可以求出振動能量收集裝置所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小。在不考慮外界損耗的情況下，薄片內(nèi)部磁化強(qiáng)度可看作為內(nèi)應(yīng)力的函數(shù)，此時磁化強(qiáng)度對時間的變化率可表示為

(4)

式中：σ為薄片所受到的內(nèi)應(yīng)力。

與棒狀磁致伸縮材料類似，以Jiles-Atherton磁化模型為基礎(chǔ)，通過磁-機(jī)耦合模型[17-18]建立Fe-Ga合金薄片的磁化強(qiáng)度對應(yīng)力變化率的關(guān)系：

(5)

其中

Mrev=c(Man-Mirr)

(6)

M=Mrev+Mirr

(7)

式中：Man為無磁滯的磁化強(qiáng)度，Mirr為不可逆磁化強(qiáng)度，Mrev為可逆磁化強(qiáng)度，c為不可逆損耗系數(shù)，Em為磁致伸縮材料的楊氏彈性模量，ξ為材料的單位體積能量耦合參數(shù)。其中無磁滯磁化強(qiáng)度用雙曲余弦函數(shù)表示：

(8)

式中：He為作用在薄片上的有效磁場，a為無磁滯磁化強(qiáng)度系數(shù)，Ms為飽和磁化強(qiáng)度。有效磁場由偏置磁場、與應(yīng)力有關(guān)的磁場、材料自發(fā)磁化產(chǎn)生的外斯分子內(nèi)部磁場組成：

(9)

式中：α為外斯分子場系數(shù)，外加偏置磁場H的值由通入偏置線圈中的電流I確定，即H=nI(n為單位長度線圈的匝數(shù))；λs為飽和磁致伸縮系數(shù)；不可逆磁化強(qiáng)度Mirr和應(yīng)力的關(guān)系為[19]：

(10)

將工作時的Fe-Ga合金薄片視為懸臂梁，假設(shè)其在產(chǎn)生彎曲變形時滿足平面假設(shè)(平面假設(shè)是指梁的某一橫截面在彎曲變形后仍然保持為平面，且依然垂直于變形后的梁的軸線)，則薄片在發(fā)生彎曲時，中間有一層纖維長度未發(fā)生改變，稱為中性層。梁的橫截面的彎曲應(yīng)力示意圖如圖5所示，可以看出，橫截面上中性軸的應(yīng)力為零，應(yīng)力沿截面高度方向線性分布，沿截面寬度方向均勻分布[20]。

圖5 彎曲應(yīng)力示意圖

為了準(zhǔn)確描述Fe-Ga合金薄片受外力作用時內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，以薄片固定端中心軸線上的點為坐標(biāo)原點建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 直角坐標(biāo)系

圖6中L為Fe-Ga合金薄片的長度，b為Fe-Ga合金薄片的寬度，h為厚度，F(xiàn)為作用在自由端的力。截面上任意一點應(yīng)力的計算公式為

(11)

式中：ML為橫截面上的彎矩，z為計算點到中性面的距離，Iy為截面對y軸的慣性矩。假設(shè)在距離原點y處存在一截面，對式(11)沿高度方向積分，得到此截面應(yīng)力

(12)

將ML=Fy代入式(12)，并沿軸向進(jìn)行積分，得到在力F作用下懸臂梁的內(nèi)部應(yīng)力為

(13)

(14)

懸臂梁在自由端受力F作用時產(chǎn)生的撓度為

(15)

梁在自由端受力F作用產(chǎn)生的運動可以簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)[21]，如圖7所示，F(xiàn)e-Ga合金薄片梁的等效質(zhì)量、阻尼系數(shù)及等效剛度系數(shù)分別用ms、D和k表示，加速度為ap。

F-(Dv+xk)=msap

(16)

圖7 Fe-Ga合金薄片梁機(jī)械系統(tǒng)等效簡化圖

假設(shè)外力對梁的激勵頻率為f，則梁自由端的擺動速度為

v=x/(2f)-1

(17)

將式(16)～(17)代入式(15)中，得：

(18)

將式(18)代入式(13)中，得到Fe-Ga合金薄片內(nèi)部的總應(yīng)力與其運動狀態(tài)間的關(guān)系為

(19)

當(dāng)輸入到振動能量收集裝置中的外力已知時，將上式與式(5)、(9)～(10)結(jié)合，經(jīng)過數(shù)值分析計算，即可對振動能量收集裝置的輸出電壓進(jìn)行預(yù)測。其中μ0=4π×10-7，a=7 012 A/M，Ms=1.2×104A/M，c=0.18，α=0.032，Em=75 GPa，ξ=1.54×1011，λs=160 ppm。

3 實驗與分析

為了分析振動能量收集裝置的工作特性，搭建了綜合實驗平臺(如圖8所示)。函數(shù)信號發(fā)生器提供與振動規(guī)律相同的小振幅電信號，電信號通過功率放大器放大后作為激振器的輸入，激振器向振動能量收集裝置施加振動。激振器與振動能量收集裝置之間裝有拉壓力傳感器和加速度傳感器，分別用于測量作用在振動能量收集裝置上的力與加速度實際大小。實際輸入力及加速度、振動能量收集裝置產(chǎn)生的電壓通過示波器監(jiān)測。雙極性可編程電源提供產(chǎn)生偏置磁場的偏置電流，能量收集裝置的內(nèi)部磁場則通過二位高斯計測量。

通過激振器向振動能量收集裝置施加正弦振動信號，幅值為14 g，頻率為50 Hz，裝置產(chǎn)生的輸出電壓隨時間變化曲線如圖9所示。其中，1通道為輸出電壓信號，3通道為輸入振動的加速度。在相同激勵條件下，對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行MATLAB計算，得到了輸出電壓預(yù)測值與實驗結(jié)果的對比曲線，如圖10所示。

圖8 綜合實驗平臺

圖9 f=50 Hz時的輸入加速度及輸出電壓

圖10 f=50 Hz時的輸出壓電模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

結(jié)果表明，當(dāng)向振動發(fā)電裝置輸入正弦規(guī)律的振動時，裝置產(chǎn)生的輸出電壓為類似正弦形式，電壓頻率與振動頻率相同；電壓的預(yù)測幅值約為1.65 mV，電壓的實測幅值達(dá)到了1.8 mV，二者之間的平均相對誤差約為8.3%；輸出電壓的實際波形中出現(xiàn)了上升沿波形疊加的現(xiàn)象。產(chǎn)生誤差的主要原因是：電壓幅值較小，為毫伏級，且示波器電路本身存在噪聲干擾，噪聲濾波不能完全消除干擾對輸出電壓的大小和形狀產(chǎn)生的影響。因此，所建立的數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確的描述該裝置產(chǎn)生的電壓隨時間的變化關(guān)系。

向振動能量收集裝置施加0.1 A的偏置電流，對Fe-Ga合金薄片進(jìn)行預(yù)先磁化，然后向施加與上述實驗相同的振動激勵，測量輸出電壓得到了如圖11所示的結(jié)果。與圖9的結(jié)果相比，輸出電壓幅值明顯升高，約為5.4 mV，且電壓波形上升沿的波形疊加現(xiàn)象也消失了。由此可見，偏置磁場的加入能夠提高振動能量向電能轉(zhuǎn)換的能力。這是因為在偏置磁場的作用下，不僅能預(yù)先激活磁疇，并且偏置磁場能夠預(yù)先使磁疇向與軸向平行的方向運動，因此Fe-Ga合金再次受到力作用后，磁疇向垂直磁場方向偏轉(zhuǎn)的數(shù)量及偏轉(zhuǎn)角度都更大，進(jìn)而使得磁通密度變化增加，即產(chǎn)生的感應(yīng)電壓增大。

圖11 f=50 Hz時外加偏置磁場實驗結(jié)果

圖12 電壓-加速度曲線

圖13 電壓-頻率曲線

在不同激勵頻率下測量了振動能量收集裝置的輸出電壓，得到了四組頻率(20 Hz、50 Hz、80 Hz、180 Hz)下的輸出電壓-加速度關(guān)系曲線，結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，隨著加速度的增大，振動發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電壓幅值也增大，但電壓與加速度間并不是簡單的線性關(guān)系。在同一加速度下， 50 Hz和80 Hz的振動使裝置產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)小于20 Hz和180 Hz時的電壓，并且隨著加速度的增加電壓相差越來越明顯；另外，180 Hz激勵下的輸出電壓高于20 Hz的電壓，響應(yīng)靈敏度更高?？梢?，振動頻率是影響輸出電壓大小的重要因素之一。因此，為了進(jìn)一步明確頻率對輸出電壓幅值的作用規(guī)律，在加速度為14 g的正弦振動激勵下，測得了電壓-頻率關(guān)系曲線，如圖13所示。從圖中可以看出，輸出電壓存在多個諧振狀態(tài)，測得300 Hz內(nèi)的兩個諧振頻率分別為20 Hz和180 Hz時，電壓諧振幅值分別達(dá)到了5.4 mV和6.5 mV。在頻率超過300 Hz后，產(chǎn)生的電壓很微弱，無法通過示波器測得，因此在未來研究過程中需要在系統(tǒng)中加入放大電路以提高輸出電壓，進(jìn)而研究系統(tǒng)在高頻下的諧振特性。

選用配有多種緩沖錘頭的LC01A力錘和CA-YD-1160加速度傳感器，采用錘擊法測量Fe-Ga合金薄膜的共振頻率。針對不同材料的錘頭，力錘的沖擊脈寬和頻率響應(yīng)范圍也不同，各錘頭的沖擊脈寬如圖14所示。為了把全部輸入能量注入到所測量的頻率范圍內(nèi)，要盡量選用軟錘頭，因此本實驗中選用尼龍錘頭，測得的了如圖15所示的頻譜圖，圖中3號曲線為測得的加速度信號，M曲線為經(jīng)過快速傅里葉變換得到的頻譜圖。結(jié)果得到了Fe-Ga合金薄片的前六階共振頻率，分別為20 Hz、165 Hz、300 Hz、395 Hz、455 Hz、555 Hz。由此可見，文中所設(shè)計的振動能量收集裝置的較佳工作頻率集中在低頻范圍內(nèi)。

圖14 錘頭沖擊脈寬分布圖

圖15 頻譜圖

由圖9和圖11可知，偏置磁場對電壓幅值有顯著影響，因此在20 Hz和180 Hz測量了不同偏置磁場下的輸出電壓，得到的電壓幅值-偏置電流關(guān)系曲線如圖16所示。從圖中可以看出，當(dāng)偏置電流在0～0.8 A、1.4～1.7 A范圍時，輸出電壓的幅值隨著電流的增加而增大；而當(dāng)偏置電流由0.8 A變化到1.4 A、以及由1.7 A繼續(xù)增大時，輸出電壓逐漸減小。當(dāng)偏置電流為0.8 A時，20 Hz和180 Hz頻率下對應(yīng)的輸出電壓幅值分別達(dá)到最大值187 mV和201 mV，此時用高斯計測量到Fe-Ga合金薄片周圍的磁場約為6.25 mT。根據(jù)磁疇偏轉(zhuǎn)理論，當(dāng)偏置磁場在一定范圍內(nèi)時，此時平行于施力方向的磁疇數(shù)目將增多，若此時受到外加激勵載荷作用，那么偏轉(zhuǎn)的磁疇數(shù)目將增多，偏轉(zhuǎn)角度將增大，因此Fe-Ga合金的磁致伸縮逆效應(yīng)增強(qiáng)；但偏置磁場不宜過大，否則Fe-Ga合金將表現(xiàn)出磁致伸縮正效應(yīng)，致使磁致伸縮力與外加激振力相抵消，導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓信號變得微弱。這一點可以從圖中偏置電流大于1.7 A時的曲線中看出。

圖16 電壓-偏置電流圖

4 結(jié) 論

(1)以磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)和法拉第電磁感應(yīng)的耦合特性為基礎(chǔ)，利用一種Galfenol材料-Fe-Ga合金薄片作為核心元件，設(shè)計了可收集環(huán)境中振動的能量收集裝置通過COMSOL Multiphysics多物理場耦合方法確定了合金薄片的最佳支撐方式和激勵形式分別為懸臂式和慣性激勵。

(2)以Jiles-Atherton磁化模型為基礎(chǔ)，結(jié)合懸臂梁彎曲理論建立了感應(yīng)電壓與應(yīng)力、應(yīng)力與力和加速度間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(3)通過實驗綜合研究了振動能量收集裝置的工作特性，所產(chǎn)生的輸出電壓隨輸入加速度的增大而增加，但二者間為非線性關(guān)系；輸入振動的頻率是影響輸出電壓的重要因素，采用錘擊法測得了Fe-Ga合金薄片的前六階共振頻率，在二階諧振(頻率為180 Hz)下的電壓最大，約為201 mV。