一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法

文献发布时间：2023-06-19 12:19:35

技术领域

本发明属于磁电传感技术领域，涉及一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法。

背景技术

现代科学科技和人工智能的迅速发展，传感器技术领域受到极大的关注。传感器可以对能量信息进行检测和处理，转换成可与计算机兼容的信号，对现代科学技术各个领域的发展尤为重要。磁传感广泛应用于智能电网、地质勘探、自然灾害预测、航空航天、生物医学、军事设备等各个领域，尤其在磁场检测领域有着极为重要的地位。

然而，磁传感器的工作原理和技术核心基于各种材料与物理量之间产生的效应原理。在目前磁场传感器发展中，磁电转换方法主要基于霍尔效应、法拉第效应、磁通门传感技术、复合层状结构材料的磁致伸缩与压电效应的结合和多铁性材料的自发性磁电效应等。但是，基于上述效应的磁电转换方法所研发的传感器有各自的优点，同时还存在各种不足之处，其主要体现在材料成本高、结构复杂、灵敏度低、受外界干扰强等方面。当前，通过控制信号发生器和功率放大器连接至亥姆霍兹线圈，使其产生频率可调的交流磁场，同时控制程控直流电源连接至电磁铁，使其在垂直方向产生直流磁场，两者都同时作用于压电材料PVDF薄膜表面金属电极镀层，并且固定材料一端使其悬浮平行于亥姆霍兹线圈，同时垂直于电磁铁，利用电极表面产生的涡旋电流在直流磁场的影响下产生的洛伦兹力作用在压电材料上，利用压电材料的正压电效应从而产生电荷，构成完整的磁电转换系统同时实现磁电能量转换的广义磁电效应受到各界专家学者的关注和研究。然而，目前广义磁电效应的磁电转换定量计算还没有完整的计算方法，同时对应的磁能和最终转化的电能具体数值无法得到详细的计算结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法，解决了现有技术中存在的广义磁电效应的磁电转换定量计算还没有完整的计算方法，同时对应的磁能和最终转化的电能具体数值无法得到详细的计算结果的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1，获取交流磁场通过金属电极表面产生的交流磁通参数；

步骤2，根据交流磁场分布和交流磁通参数计算金属电极表面产生的感应电动势和感应涡旋电流；

步骤3，获取直流磁场和交流磁场作用参数，根据感应电动势引起的感应涡旋电流计算洛伦兹力，然后计算施加在样品上的总扭矩；

步骤4，获取压电材料的压电电压常数、恒定应力下介电常数、弹性柔度系数，根据压电域所求电荷守恒和力学平衡参数计算磁电转换系统输出电压函数；

步骤5，根据系统能量转换函数建立磁-电耦合模型。

本发明的特征还在于，

步骤1中当交流磁场穿透金属电极层产生的磁通量φ

其中，S为金属电极的表面积，μ

金属电极表面产生的感应电动势ε为：

其中，φ

感应电动势ε与涡旋电流周围的电场E之间的关系为：

式中涡旋电流的电流密度J＝σE，E为涡旋电流周围的电场，L为涡旋电流环形周长，L为涡旋电流环形周长，σ为金属电极的电导率。

金属电极表面产生的感应涡旋电流i

其中，i

步骤3中的洛伦兹力

式中，

在电压材料中，假设磁感应强度为均匀的，所以闭环上的整体作用力

式中，m为涡流环面积，金属电极镀层位于PVDF薄膜样品两侧，则施加在样品的总扭矩

步骤4中的电压函数为：

式中，E

在短路条件下T

因此，由洛伦兹力作用产生的磁电电流I

式中，S为表面金属电极的总面积，样品被施加洛伦兹力后产生的电荷为Q，则磁电电压V

式中，l为测试压电材料样品的长度，δ为测试压电材料样品的厚度，

磁-电耦合模型的表达式为：

其中，a为磁电电压系数，V

本发明的有益效果是：

本发明将交流磁场产生的涡旋电流与洛伦兹力直接耦合建模，具有计算的精准性和模型系统的完整性，对应的磁能和最终转化的电能具体数值能得到详细的计算结果；本发明的方法能够得到最佳的磁电能量转换条件，在特定的外界参数范围内可以制备低功耗、抗干扰能力强、无需外加激励电源的高灵敏磁场传感器；本发明强化磁电能量转换效率，为无磁相位的能量转换方法提供计算模型，开辟了磁电能量传感研究的新道路。

附图说明

图1是本发明一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的广义磁电效应的磁电耦合原理示意图；

图3为本发明实施例提供的基于广义磁电效应的能量转换过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于广义磁电效应的能量转换建模方法，其流程如图1所示，具体按照如下步骤实施：

步骤1，获取交流磁场通过金属电极表面产生的交流磁通量，磁通量φ