Магнитоэлектрическая система сбора энергии
Полезная модель относится к области энергетики и энергоэффективности, ее направлению - возобновляемые источники энергии, в частности, к магнитоэлектрическим источникам энергии. Сущность полезной модели: магнитоэлектрическая система сбора энергии является модульной системой, состоящей из приемного модуля, модуля управления, резонаторной системы, отвечающей за преобразование и усиление поступающих электромагнитной и механической энергий в полезную электрическую мощность, состоящую из магнитоэлектрического резонатора, размещенного в пучностях электромагнитного поля бимодального резонатора, выпрямительного модуля и накопительного модуля, выполненные на одной подложке методами интегральной технологии. Технический результат - упрощение конструкции и повышение КПД и выходной мощности, которое осуществляется за счет преобразования и усиления внешней возобновляемой энергии из двух источников: электромагнитное излучение и механические колебания. В результате разработанная структура магнитоэлектрической системы сбора энергии обладает высокой выходной мощностью, достаточной для питания малогабаритных устройств электроники.
Полезная модель относится к области энергетики и энергоэффективности, ее направлению - альтернативные источники энергии, в частности, к магнитоэлектрическим источникам энергии.
Известна электромагнитная выпрямляющая антенна (Патент США US 007649496 B1, 19.01.2010), содержащая приемную антенну, выпрямительный элемент, например, диод, которая способна собирать высокочастотные электромагнитные волны из свободного пространства и преобразовывать их в электрическую энергию. На данное устройство подается дополнительная энергия, которая суммируется с полученной извне, увеличивая тем самым выходную мощность антенны.
Недостатками его являются необходимость в приложении входного напряжения, что ведет к дополнительному энергопотреблению, использование в качестве источника энергии только один тип энергии, сложная конструкция, необходимость в высокой точности изготовления и настройки.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является питаемый от окружающей среды беспроводной сенсорный модуль (Патент США US 2010/0090655 A1, 15.04.2010), содержащий на одной подложке приемный модуль, модуль управления и накопительный модуль. Данное устройство предназначено для питания беспроводного сенсора энергией от внешних источников, полностью исключая замену батареи.
Недостатком прототипа является громоздкая и сложная конструкция, включающая в себя приемо-передающее устройство, использование в качестве источника энергии только один тип энергии.
Задачей полезной модели является: обеспечение высокой выходной мощности порядка милливатт, достаточной для питания малогабаритных электронных устройств, при использовании двух видов источников энергии: внешние механические колебания и электромагнитное излучение.
Для решения поставленной задачи предложена магнитоэлектрическая система сбора энергии, выполненная на единой подложке методами интегральной технологии, состоящая из приемного модуля, модуля управления, резонаторной системы, содержащей микрополосковый бимодальный резонатор и магнитоэлектрический резонатор, выпрямительного модуля и накопительного модуля.
Для пояснения структуры и принципа работы магнитоэлектрической системы сбора энергии представлена блок-схема, где 1 - внешняя высокочастотная электромагнитная энергия, 2 - внешняя механическая энергия, 3 - приемный модуль, 4 - модуль управления, 5 - резонаторная система, 6 - магнитоэлектрический резонатор, 7 - выпрямительный модуль, 8 - накопительный модуль.
Приемный модуль 3 представляет собой микрополосковую приемную антенну, настроенную на прием определенного диапазона частот электромагнитных колебаний, например, 1850-1990 МГц. Также в состав приемного модуля входит согласующее устройство.
В качестве основного рабочего тела магнитоэлектрической системы сбора энергии выступает магнитоэлектрический резонатор 6, который представляет собой композиционную слоистую структуру геометрической формы, например, в виде тонкого диска, состоящую из попеременно расположенных магнитострикционных и пьезоэлектрических слоев. Толщина слоев выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия электромеханического резонанса на выбранной частоте электромагнитных колебаний, например, для диапазона частоты 1850-1990 МГц толщина слоев составляет единицы микрометров. Поэтому слоистая структура напыляется на подложку толщиной десятые доли миллиметра из диэлектрического материала с близким параметром кристаллографической решетки нижнего слоя слоистой структуры. В качестве магнитострикционного материала может выступать железоиттриевый гранат (ЖИГ), никелевая шпинель и др. подобные материалы из-за наличия высокого коэффициента магнитострикции и сильных ферромагнитных свойств, а в качестве пьезоэлектрического - титанат бария стронция (БСТ), цирконат титанат свинца (ЦТС), Pb(MgNb)O-PbTiO (PMN-PT) и др. подобные пьезоэлектрические материалы, так как они обладают сильным пьезоэлектрическим эффектом. Между пленками из магнитострикционного и пьезоэлектрического материала напыляется электрод, например, платиновый, второй электрод напыляется на верхнюю поверхность слоистой структуры.
Резонаторная система 5 включает в себя два резонатора: микрополосковый бимодальный резонатор, имеющий длину равную 
/2, где - длина электромагнитной волны частоты приемной антенны; магнитоэлектрический резонатор, представляющий собой феррит-пьезоэлектрическую слоистую структуру.
Модуль управления 4 включает в себя магнитную подсистему, которая отвечает за перевод в насыщение ферромагнитной составляющей магнитоэлектрического резонатора, и устройство управления энергией. Модуль управления включает в себя набор постоянных магнитов, выполненных, например, в виде пленок, которые отвечают за создание необходимых условий для существования пьезомагнитного эффекта и усиления поступающей электромагнитной мощности в ферромагнитной фазе. Например, магнитная пленка с требуемой величиной намагниченности, напыленная на нижнюю поверхность микрополосковой линии в месте расположения МЭ резонатора, создает однородное постоянное магнитное поле в перпендикулярном к поверхности диска направлении.
Магнитоэлектрический резонатор размещается в местах пучностей электромагнитного поля бимодального микрополоскового резонатора, на месте которых созданы шлейфы 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала, необходимые для создания СВЧ поля с круговой поляризацией, что позволяет более эффективно использовать ферритовую компоненту магнитоэлектрического резонатора. Выпрямительный модуль представляет собой согласующие устройства и выпрямительный элемент, который отвечает за преобразование переменного высокочастотного напряжения в постоянное, который, например, может быть выполнен в виде диодного моста. В накопительный модуль входит согласующие устройства и аккумулятор, выполненный, например, в виде конденсатора.
Магнитоэлектрическая система сбора энергии работает следующим образом.
Внешняя электромагнитная энергия 1 выделенных частот улавливается приемной микрополосковой антенной, входящей в приемный модуль и по микрополосковому тракту поступает на бимодальный резонатор, входящий в резонаторную систему. В виду выбранной длины бимодального резонатора можно выделить два места, где присутствуют пучности электромагнитной энергии главной и первой мод электромагнитных колебаний. В этих местах размещается магнитоэлектрический резонатор. После прохождения электромагнитной энергии через данные структуры происходит усиление поступающей мощности, а также суммирование с поступившей извне механической энергии такой же частоты. В результате на выходе резонаторной системы оказывается суммарная усиленная мощность, собранная из двух внешних источников: высокочастотных электромагнитных и механических колебаний, и усиленная за счет явлений, присущих данному модулю, главными из которых являются резонаторные явления.
Магнитоэлектрический резонатор преобразует поступившую электромагнитную энергию 1 и внешние механические деформации 2 в электрическую мощность вследствие магнитоэлектрического эффекта. МЭ эффект заключается в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля.
Преобразованная энергия поступает на выпрямительный модуль, где происходит ее выпрямление, а затем в накопительный модуль для аккумулирования. Аккумулированную энергию можно использовать для питания малогабаритных устройств электроники. Магнитоэлектрический коэффициент по напряжению имеет максимальное значение на частоте электромеханического резонанса. В предлагаемой магнитоэлектрической системе сбора энергии в качестве внешних источников энергии выступает два вида: электромагнитное излучение и механические деформации, что дает возможность повысить КПД преобразования энергии.
Осуществление полезной модели основано на использовании магнитоэлектрической структуры, состоящей из попеременно расположенных магнитострикционных и пьезоэлектрических слоев.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат. Разработанная магнитоэлектрическая система сбора энергии, имеющая общие габаритные размеры не более 1 см2, обладает высокой выходной мощностью порядка 0,1 мВт, достаточной для питания малогабаритных электронных устройств; упрощает конструкцию сенсорного модуля, исключая из устройства приемо-передающее устройство и датчик, тем самым расширяя область применения магнитоэлектрической системы сбора энергии, а также не требует дополнительного подведения электрической энергии. При этом в качестве источников энергии магнитоэлектрическая система сбора энергии использует два вида источников: внешние механические колебания и электромагнитное излучение, тем самым увеличивая выходную мощность и КПД устройства.
Магнитоэлектрическая система сбора энергии, содержащая на одной подложке изготовленные методами интегральной технологии приемный модуль, модуль управления, выпрямительный модуль и накопительный модуль, отличающаяся тем, что резонаторная система, отвечающая за усиление и преобразование поступающих электромагнитной и механической энергий в полезную электрическую мощность, включает магнитоэлектрический резонатор, размещенный в пучностях электромагнитного поля бимодального резонатора.
