CN103117676A - 一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，设计一门式框，框的左支撑板（8）的上端开有孔，孔内装有轴承（6），轴承内装有一悬臂梁（7），悬臂梁伸出的一端依次穿进一旋转式偏心摆（4）的摆动孔，再伸出的端部与一压磁/压电换能器（1）固定连接，所述的压磁/压电换能器嵌设在一对永磁体（2）组成的气隙中，连接永磁体的衔铁（3）固定在门式框的右支撑板（5）上，或由轴承支持的悬臂梁（7）伸出的一端与一对永磁体（2）的固定板（12）连接，一压磁/压电换能器（1）嵌设在永磁体（2）所形成的气隙中，压磁/压电换能器的中心轴固定在门式框的左支撑板（8）上。

Description

一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集装置。

背景技术

振动是环境中普遍存在的一种现象，广泛存在于桥梁、楼宇、船舶、车辆、机床、家用电器（冰箱、洗衣机、微波炉）等各种生产生活设备中，也存在于人体的血液流动、心脏跳动、肢体运动等生命过程中。如果将环境中的振动转化为电能，为无线网络、嵌入式系统等低功耗设备供电，有着非常广泛的应用前景。

环境中的振动通常不是单一频率的振动，它的频率成分常分布在一个较宽的频带内。为了从环境振动中获取更多的能量、增大振动能量采集器的应用范围，有必要研发出具有宽频特性的振动能量采集器。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号：201010300986.6，名称为：压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器，该发明提出了采用双稳态梁与压电超磁致伸缩复合换能器实现宽频振动能量采集的方法。该发明中，双稳态梁的下表面固定有一永磁铁，双稳态梁在一定的振动加速度条件下，会在其两个稳态位置间切换。切换时，永磁铁与压电超磁致伸缩复合换能器距离改变，引起压电超磁致伸缩复合换能器感应到的磁场发生改变，使压电超磁致伸缩复合换能器产生电能输出。该发明虽然能够实现宽频能量采集，但需要外界振动加速度大到能克服双稳态梁稳态位置转换所需的临界力时，振动能量采集器才能工作，限制了其应用范围。

另外还可利用具有不同谐振频率的悬臂梁阵列展宽振动能量采集器的频带，如中国发明专利201010207427.0、201010601354.3。这种方式可获得较宽的频带，但在每一振动频率下，只有一个梁发生谐振，其它非谐振梁输出的功率微乎其微，因此这种方式会增大采集器的体积，降低振动能量采集器的输出功率密度。

磁致伸缩是指在交变磁场作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动，或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换成电能。而压电材料受到压力作用时，也会产生电能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使压磁/压电换能元件能在宽频振动环境中获得较大输出功率，扩大振动能量采集器的使用范围，解决传统的压电能量采集器采集频带窄，输出功率低的一种能量采集器。

为实现上述目的，本发明技术方案为：设计一门式框，框的左支撑板的上端开有孔，孔内装有轴承，轴承内装有一悬臂梁，悬臂梁伸出的一端依次穿进一旋转式偏心摆的摆动孔，再伸出的端部与一压磁/压电换能器固定连接，所述的压磁/压电换能器嵌设在一对永磁体组成的气隙中，连接永磁体的衔铁固定在门式框的右支撑板上，或由轴承支持的悬臂梁伸出的一端与一对永磁体的固定板连接，一压磁/压电换能器嵌设在永磁体所形成的气隙中，压磁/压电换能器的中心轴固定在门式框的左支撑板上。

所述的压磁/压电换能器由一层磁致伸缩材料与一层压电材料粘接而成，或者由多层磁致伸缩材料与多层压电材料交错叠放粘接而成，多层压电材料间采用串联或并联连接。

所述的压磁/压电换能器采用圆形片状结构，其中磁致伸缩层的磁化方向沿其一直径方向，压电层的极化方向与磁致伸缩层的磁化方向相同，或者压电层的极化方向采用厚度方向。

所述的永磁体磁路采用单个磁铁加上衔铁构成；或者采用两个磁铁及衔铁构成，其中两个磁铁相对面的极性相反，增强永磁体磁路中的磁感应强度。

采用上述方案，可知旋转摆式压磁/压电宽频振动能量采集器由两种结构组成，当旋转摆可由一单独的偏心摆构成时，将压磁/压电换能器或永磁体磁路中一个固定在偏心摆上，另一个固定在框体的另一支撑板上；而当旋转摆由永磁体磁路上添加质量块构成偏心摆式结构时，应将压磁/压电换能器固定在框体的另一支撑板上。当能量采集器处于振动环境中时，旋转摆感应环境中的振动，产生来回的摆动或旋转运动。在旋转摆带动作用下，使压磁/压电换能器与永磁体磁路产生相对地转动。在相对转动过程中，压磁/压电换能器感应到变化的磁场，在变化磁场的作用下，换能器中的磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层，产生电能输出，实现机械能到电能的转换。

本发明装置振动发电机理如下：压磁/压电换能器中磁致伸缩层的磁化方向与外加磁场方向的夹角为0°或180°时，磁致伸缩层产生的形变量最大；而夹角在±90°是产生的形变量最小。旋转摆在外界振动的作用下，使永磁体磁路和压磁/压电换能器产生相对地周期性转动，其频率与外界振动的频率一致。当外界振动加速度较小时，旋转摆作来回的往复摆动；当振动加速度较大时，旋转摆将作旋转运动。旋转摆的相对转动使磁致伸缩层的磁化方向与外加磁场方向的夹角不断地变化。磁致伸缩层的形变量随夹角的变化而不断地发生改变，其形变传递到压电层，使压电层产生交变的电输出，实现机械能到电能的转换。由于旋转摆是非谐振结构，它的摆动频率取决于外界振动的频率，因此它可实现宽频振动能量采集。

本发明装置用于振动发电具有如下特点：一是充分利用旋转摆这一非谐振结构，它具有很宽的响应频带，因此可实现宽频振动能量采集；二是将振动转换成永磁体磁路与压磁/压电换能器相对转动，这样可使压磁/压电换能器较容易地感应到较高的磁场变化量，产生高功率的电输出，实现了本发明的目的。

下面结合附图及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1是采用单独的偏心摆构成的宽频振动能量采集器立体图；

图2是采用永磁体磁路构成偏心摆的宽频振动能量采集器结构立体图；

图3 是压磁/压电换能器的结构1的立体图；

图4是压磁/压电换能器的结构2的立体图。

附图中标号名称：1压磁/压电换能器、1－1磁致伸缩层、1－2电极引线、1－3磁致伸缩材料磁化方向、1－4压电层、1－5压电层极化方向、1－6压电层电极面、2永磁体、3衔铁、4旋转偏心摆、12磁路固定板、5门式框体右支撑板、6轴承、7悬臂梁、8门式框体左支撑板、9框体基座、10质量块、11换能器固定轴。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1，参见附图1。本实施例中采用的器件包括：圆形压磁/压电换能器1、永磁体2、衔铁3、旋转式偏心摆4、框体右支撑板5、轴承6、悬臂梁7、门式框体左支撑板8、框体基座9。

本实施例为方案中的一种结构，即门式框左支撑板8上安装有一由轴承6支承的悬臂梁7，悬臂梁7伸出的一端同轴装有一旋转偏心摆4及压磁/压电换能器1，旋转偏心摆4可自由摆动，甚至可以转动，而压磁/压电换能器1安装在两个永磁体2所组成磁路的气隙中，永磁体2由一个导磁体组成的衔铁3支撑，衔铁3固定在门式框右支撑板5上，固定方式很多，本实施例将衔铁3的一边粘贴在右支撑板5上，左、右支撑板均用不导磁的材料如铝构成。

圆形压磁/压电换能器1由两层磁致伸缩材料夹一层压电材料构成。框体材料采用铝、硬铝等非导磁材料。旋转摆采用钨、铅等比重大的非导磁材料。磁铁2可采用钕铁硼、钐钴等永久磁铁。衔铁3采用铁、钢、坡莫合金等导磁材料。

两个磁铁2和衔铁3构成振动能量采集器的磁路，磁路固定在框体右支撑板5上。磁路中两个磁铁2相对面的极性相反且设计成圆弧形，这样的设计可增大磁路的磁感应强度。磁路也可采用不用衔铁、仅用两个磁铁等组成形式。

圆形压磁/压电换能器1放在磁路空气隙中，与两磁铁2构成的部分圆同心，并位于磁路厚度方向上的中间位置。压磁/压电换能器1的左侧面与悬臂梁7固定相连，随悬臂梁7的旋转而转动。压磁/压电换能器1与悬臂梁7固定连接方式可采用直接粘接的方式，也可增加一细小的筋板将两者粘接在一起。

旋转摆4设有一个圆孔。悬臂梁7通过该孔以过盈配合的方式将旋转摆4固定连在一起。悬臂梁7通过轴承6安装在框体左支撑板8上，可以相对于框体作自由转动。

旋转摆4为一下大上小的圆弧形片状块，重量集中在下部，偏心孔开在上，可以感应环境中水平（图1中y方向）和垂直（图1中z方向）方向的振动，在振动的作用下，旋转摆4带动压磁/压电换能器1一起相对于磁路转动。在旋转摆4的转动过程中，磁路作用在压磁/压电换能器1上的磁场方向发生周期性的改变，压磁/压电换能器1中磁致伸缩层的形变量随之周期性地变化，其形变传递到压电层，使压电层产生交变的电输出。

需要特别说明的是：当环境中仅有铅垂方向（z方向）的振动时，且旋转摆4的初始位置位于铅垂位置时，旋转摆4无法感应到铅垂方向的振动，即旋转摆4保持不动。但当旋转摆4稍微偏离铅垂位置时，就可感应到环境中铅垂方向（z方向）的振动，将振动转化为旋转运动。由于环境中通常同时存在水平和垂直方向的振动，旋转摆4在水平方向的振动下会稍微偏离铅垂位置，因此本发明仍然可以采集以垂直方向为主的环境振动能量。

实施例2，参见附图2。为方案中的另一种结构，左支撑板8由一固定轴11支撑压磁/压电换能器1，由轴承支撑的悬臂梁支撑一个永磁体2构件，而压磁/压电换能器1固定在由永磁体磁路组成的气隙中，该结构与实施例1不同的是永磁体转动，而换能器不动，达到同样的效果。

所述的偏心摆由磁铁2、衔铁3、质量块10构成。他们间通过粘接方式来连接。所述的偏心摆也可去掉质量块10，通过增大衔铁3质量来构成偏心摆。偏心摆与磁路固定板12固定相连，磁路固定板12与悬臂梁7固定相连，悬臂梁7通过轴承6安装在框体右支撑板5上。在振动作用下，偏心摆可以相对于框体作自由转动。

圆形压磁/压电换能器1的左侧面与换能器固定轴11固定相连。换能器固定轴11固定在框体左支撑板8上。

参见附图3，本实施例主要说明压磁/压电换能器的实施方式。

压磁/压电换能器1的结构1如附图3所示。压磁/压电换能器1由上、下两层磁致伸缩材料1－1与一层压电材料1－4通过导电胶粘接而成。磁致伸缩层的磁化方向1－3沿其某一直径方向。压电层的极化方向1－5为厚度方向。由于磁致伸缩材料是良导体，且采用导电胶与压电层粘接在一起，换能器的电极引线1－2从磁致伸缩层引出。压磁/压电换能器1的另一结构2如附图4所示。压磁/压电换能器1的磁致伸缩层1－1仍沿其某一直径方向，压电层的极化方向1－5与磁致伸缩层磁化方向1－3相同。压电层的两电极面1－6覆盖在厚度方向的圆环上，且两电极面互不相交。换能器的电极引线1－2从压电层的两电极面上引出。

一般说来，公知的磁致材料或压电材料均可以使用，本实施例优先采用的磁致性材料为稀土超磁致伸缩材料Terfenol－D，压电材料为压电陶瓷PZT，压电单晶Pmnt。

Claims (5)

1.一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，其特征在于：设计一门式框，框的左支撑板（8）的上端开有孔，孔内装有轴承（6），轴承内装有一悬臂梁（7），悬臂梁伸出的一端依次穿进一旋转式偏心摆（4）的摆动孔，再伸出的端部与一压磁/压电换能器（1）固定连接，所述的压磁/压电换能器嵌设在一对永磁体（2）组成的气隙中，连接永磁体的衔铁（3）固定在门式框的右支撑板（5）上，或由轴承支持的悬臂梁（7）伸出的一端与一对永磁体（2）的固定板（12）连接，一压磁/压电换能器（1）嵌设在永磁体（2）所形成的气隙中，压磁/压电换能器的中心轴固定在门式框的左支撑板（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，其特征在于：所述的压磁/压电换能器由一层磁致伸缩材料与一层压电材料粘接而成，或者由多层磁致伸缩材料与多层压电材料交错叠放粘接而成，多层压电材料间采用串联或并联连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，其特征在于：所述的压磁/压电换能器采用圆形片状结构，其中磁致伸缩层的磁化方向沿其一直径方向，压电层的极化方向与磁致伸缩层的磁化方向相同，或者压电层的极化方向采用厚度方向。

4.根据权利要求1所述的一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，其特征在于：旋转摆4为一下大上小的圆弧形片状块，重量集中在下部，偏心孔开在上。

5.根据权利要求1所述的一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器，其特征在于：优先采用的磁致性材料为稀土超磁致伸缩材料Terfenol－D，压电材料为压电陶瓷PZT，压电单晶Pmnt。

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