电线磁场能量采集及压磁/压电复合低频磁电换能器研究

立足于电子/电力技术对新原理、新材料和新元件的需求，着眼于原始科技创新，提出研究具有潜在极广泛应用价值的电线磁场能量采集技术。提出在不改变常规电器供电线结构和使用条件下，采集交流电线磁场为微电子系统提供电源。以压磁/压电复合磁电换能器（阵列）为基础，设计交流电线磁场采集器，可以采集低至1A以下，相线和中性线（地线）包裹在一起的工频交流电线产生磁场，为微电子系统提供电源。通过磁场汇聚、换能器结构变化、增加新的材料相等方法，解决复合磁电换能器低频磁电效应低这个关键技术问题。采用累积叠加电线分布磁场等技术思路设计采集器，提高磁电换能器磁场输入，降低磁场能量采集阈值，提高采集效率。能量采集技术蕴含丰富的多学科基础理论和多学科技术交叉问题的研究和应用，通过对供电线能量采集原理和关键技术的研究，提出一种新的能量采集技术，有效利用环境中的工频电磁辐射，为通用电子系统提供了一种新的电源能量供给方式。

对压电材料、磁致伸缩材料和非晶态合金多层多相复合磁电换能器进行了研究，提出了多种新型结构，显著提高了磁电响应，为磁场能量采集器的研发奠定了基础。为了改善Terfenol-D导磁性能差等不足，采用TD和非晶态合金FeCuNbSiB复合制备了新型的性能优异的磁致伸缩复合材料。复合材料TD/FeCuNbSiB的最大压磁系数比TD提高了6%。为了提高磁电复合结构的输出电压和避免涡流损耗，对层状复合材料进行了结构优化设计和磁致伸缩材料的选择进行调整，优化后的复合材料在最优偏置磁场下低频磁电电压系数可达到125m V/Oe。即使在零偏置条件，也能产生显著磁电效应。.对电磁式磁场能量采集器进行了研究：对电磁式磁场能量采集器的输出特性和充电特性进行了详细的理论推导，分析了磁芯材料、磁芯尺寸、线圈匝数等参数对采集器性能的影响，为电磁式磁场能量采集器的设计提供了理论指导。为了使电磁式磁场能量采集器能够同时得到足够大的输出电流和输出电压，并且二者能够进行独立调节，对多个采集器串联和并联时的特性进行了分析，讨论了不同条件下多个线圈串联或者并联的选择方法。为了减小开合式磁芯的漏磁，以采集更多的能量以降低电磁式磁场能量采集器适用的最小电线电流，提出了“贴膜法”和“牙形磁芯法”两种减少漏磁以降低采集器适用的最小电线电流的方法，使电磁式磁场能量采集器适用的最小电线电流分别至少能够降低13%和58%。.为了使复合磁电换能器的电响应输出，可以作为驱动电源，首次提出采用复合磁电换能器的微弱能量采集的电源管理电路原理和电路实现方法。采用高效的上变频电路调升低频采集输出的频率至3.28 kHz，这样就可以大大减小传统匹配电路中变压器的尺寸，用常规器件就可以实现输出匹配。这种上变频低频采集输出的方法，适合各种低频能量采集应用。包括工频电流磁场的电磁式能量采集器的电源管理。.设计实现了具有能量采集、电流/温度传感、自供电电源管理以及无线传输功能的自全式自供电无线传感器，该传感器无外部物理连线，也不需要电源维护，从被传感的交流电流磁场获得能量，为无线传感供电。.发表SCI论文24篇，其中I区论文1篇，II区论文8篇；关于能量采集技术和磁电复合效应的研究分别获得重庆市和教育部自然科学二等奖，申报发明专利3项。