2021
DOI: 10.1088/1674-1056/abeee9
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Insights into the regulation mechanism of ring-shaped magnetoelectric energy harvesters via mechanical and magnetic conditions*

Abstract: This paper presents a theoretical model for predicting and tuning magnetoelectric (ME) effect of ring-shaped composites, in which stress boundary conditions are empoyed and the multi-field coupling property of giant magnetostrictive materials are taken into account. A linear analytical solutions for the closed-and open-circuit ME voltages are derived simultaneously using mechanical differential equations, interface and boundary conditions, and electrical equations. For nonlinear ME coupling effect, the nonline… Show more

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“…磁电多铁材料通过正、逆磁电效应,实现高效的磁场、电场相互转换,因而 被广泛应用于电流传感 [1,2] 、能量收集 [3] 和低频天线 [4−6] 等领域。磁电复合材料较 单相材料具有更强的磁电效应,相关学者通过有限元 [7−9] 、等效电路 [10−12] 和弹性 力学 [13,14] 等方法研究其性能,并探讨外部激励 [15−17] 对磁电耦合的影响。然而,常 规磁电复合材料依赖永磁体或电磁铁提供偏置的磁场, 由此带来的噪声、 体积大、 成本高等问题严重限制了小型化、高性能磁电器件的发展。 为了解决该问题,研究人员持续探寻新型磁电复合材料,以实现无外加偏置 磁场的自偏置磁电效应,并尝试采用反铁磁-铁磁转换耦合效应 [18,19] 和磁性材料 的固有剩磁 [20,21] 等策略。然而,这些方法所实现的磁电耦合效应较弱,操作过程 也相对复杂,难以实际应用。Wen 等 [22,23] 将高磁导率的铁基纳米晶合金 (FeCuNbSiB)与磁电复合材料结合,通过磁化梯度分布替代偏置磁场,率先实 现了自偏置磁电效应,并提高了磁电系数和磁场灵敏度。在理论建模方面,Cheng 等 [24] 和 Lu 等 [25] 建立了包含涡流效应的非线性磁电耦合模型;Shi 等 [26] 研究了外 部激励和高磁导率层对磁电耦合性能的影响;Zhang 等 [27] 利用 COMSOL 软件揭 示了温度等外部条件对磁电系数的影响。在实验方面,Ma 等 [28] 优化了自偏置磁 电复合材料的制备和连接方法,拓宽了谐振带宽;Huang 等 [29] 通过在 PZT 层自由 端粘接 FeCuNbSiB/Ni 层,进一步增强了磁电耦合强度;Yang 等 [30] 则研究了非谐 振条件下的自偏置逆磁电效应。 以往对磁电复合材料的研究 [22−30] 多集中在结构的 电压响应,忽视了内阻抗对其输出性能的影响。随着磁电复合结构在低频无线功 率传输技术 [31−34] [26] 下的磁电换能器,其压…”
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“…磁电多铁材料通过正、逆磁电效应,实现高效的磁场、电场相互转换,因而 被广泛应用于电流传感 [1,2] 、能量收集 [3] 和低频天线 [4−6] 等领域。磁电复合材料较 单相材料具有更强的磁电效应,相关学者通过有限元 [7−9] 、等效电路 [10−12] 和弹性 力学 [13,14] 等方法研究其性能,并探讨外部激励 [15−17] 对磁电耦合的影响。然而,常 规磁电复合材料依赖永磁体或电磁铁提供偏置的磁场, 由此带来的噪声、 体积大、 成本高等问题严重限制了小型化、高性能磁电器件的发展。 为了解决该问题,研究人员持续探寻新型磁电复合材料,以实现无外加偏置 磁场的自偏置磁电效应,并尝试采用反铁磁-铁磁转换耦合效应 [18,19] 和磁性材料 的固有剩磁 [20,21] 等策略。然而,这些方法所实现的磁电耦合效应较弱,操作过程 也相对复杂,难以实际应用。Wen 等 [22,23] 将高磁导率的铁基纳米晶合金 (FeCuNbSiB)与磁电复合材料结合,通过磁化梯度分布替代偏置磁场,率先实 现了自偏置磁电效应,并提高了磁电系数和磁场灵敏度。在理论建模方面,Cheng 等 [24] 和 Lu 等 [25] 建立了包含涡流效应的非线性磁电耦合模型;Shi 等 [26] 研究了外 部激励和高磁导率层对磁电耦合性能的影响;Zhang 等 [27] 利用 COMSOL 软件揭 示了温度等外部条件对磁电系数的影响。在实验方面,Ma 等 [28] 优化了自偏置磁 电复合材料的制备和连接方法,拓宽了谐振带宽;Huang 等 [29] 通过在 PZT 层自由 端粘接 FeCuNbSiB/Ni 层,进一步增强了磁电耦合强度;Yang 等 [30] 则研究了非谐 振条件下的自偏置逆磁电效应。 以往对磁电复合材料的研究 [22−30] 多集中在结构的 电压响应,忽视了内阻抗对其输出性能的影响。随着磁电复合结构在低频无线功 率传输技术 [31−34] [26] 下的磁电换能器,其压…”
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