CN103762888A - 杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置。本发明包括四个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、配重物、弹簧和基座。四个超磁致伸缩薄膜谐振器对称分布于杠杆两侧，每侧有两个，杠杆的摆动限位于同侧的两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间，超磁致伸缩薄膜谐振器固定安装在墙座上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，杠杆两端安装重量不等的配重物；铰链支座固定安装在基座上；弹簧一端固定于杠杆一侧，另一端固定于基座上。本发明利用所处环境中的低频振动驱动杠杆摆动，通过杠杆将振动以脉冲式冲击荷载施加于超磁致伸缩薄膜谐振器，可以得到高初始瞬间功率，能量收集效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，具体涉及一种杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置。
背景技术
近年来，随着无线电通讯与微机电系统(Micro-electro-mechanical System, MEMS)技术的不断发展，使得微电子设备、微传感器和可携带电子器件等微型机电设备的应用范围不断扩大，尤其在嵌入式系统、人体健康检测系统、环境控制系统、野外动物跟踪器件，以及军事安全应用系统等方面得到了广泛的应用。通常，这些设备依靠传统电池提供能量，如锂聚合物电池、镍氢电池等。但传统电池存在明显的缺陷：一是相对于微型机电设备其体积仍然较大，限制了微型机电设备的进一步微型化；二是电池化学毒性污染严重；三是供能寿命有限。由于传统电池这些的缺陷，各国研究者研究从周围环境中收集能量，目的是取代传统电池为微型机电设备供电。通常把利用一种系统从周围环境中获取能量并将其转化为可利用能量的过程叫做能量收集，由于环境中振动能是最为常见且广泛存在的一种能量存在形式，通过能量收集系统收集振动能，用于补充或取代电池具有极大的运用前景。21世纪以来，该研究方向已成为国际上的研究热点。
传统的振动能量收集方式有电磁式、静电式、压电式，其中压电式的振动能量收集技术研究最多、应用最广泛。但由于压电材料硬而脆，其承受力的范围有限、存在固有的极化现象、机电耦合系数较低、疲劳寿命短等因素的影响，使压电材料在使用过程中需要经常更换，一定程度上限制了其应用。随着超磁致伸缩材料的研制，基于超磁致伸缩材料的振动能量收集技术的研究已经成为国际上一个新的热点。相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，同时不存在疲劳、老化问题，因而工作更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75(压电陶瓷PZT只有0.3-0.4)，能量转换效率更高；它们的磁致伸缩应变量大，在室温下大于0.15%，因而比压电材料更灵敏，可在较小振幅下可产生更高的电压。
目前，基于超磁致伸缩材料的能量收集装置结构大多采用悬臂梁式，能量转换是mW或μW级别，且主要是针对高频振动能量的收集，对周围环境中更为普遍的低频振动能量收集研究较少，如机械振动，路面激励，土木结构中的振动能量。鉴于机械振动、路面激励、土木结构中的地震或风振等振动能量较大，因此研究超磁致伸缩振动能量收集装置在低频振动时的发电特性会更有实际意义。
发明内容
本发明是为了解决在低频振动下，现有的振动能量收集装置转换效率低的问题，提出一种高效率的杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置。
本发明包括四个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、配重物、弹簧和基座，四个超磁致伸缩薄膜谐振器对称分布于杠杆两侧，每侧有两个，杠杆的摆动限位于同侧的两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间，超磁致伸缩薄膜谐振器固定安装在墙座上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，杠杆两端安装重量不等的配重物；铰链支座固定安装在基座上；弹簧一端固定于杠杆一侧，另一端固定于基座上。当基座受到振动冲击时，杠杆两端重量不等的配重物使得杠杆不平衡，发生上下摆动，从而对超磁致伸缩薄膜谐振器产生脉冲式激励；在超磁致伸缩薄膜谐振器1被冲击和衰减振动中，由于超磁致伸缩材料的压磁效应产生磁场变化，然后基于电磁感应原理，变化的磁场使得闭合线圈内产生感应电动势，从而对外输出电能。
所述的超磁致伸缩薄膜谐振器包括紧固螺钉、感应线圈、线圈骨架、超磁致伸缩薄膜、铜层和质量块。铜层一端固定于墙座内，另一端与质量块刚性连接为一体，超磁致伸缩薄膜粘结在铜层上；线圈骨架套在超磁致伸缩薄膜与铜层上，并通过紧固螺钉连接在墙座上；感应线圈绕在线圈骨架上，并外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上。
所述的铜层为长方体状单层结构，用于支撑超磁致伸缩薄膜。
通过改变质量块的质量调节超磁致伸缩薄膜谐振器的谐振频率。
本发明的有益效果：本发明利用所处环境中的低频振动驱动杠杆摆动，通过杠杆将振动以脉冲式冲击荷载施加于超磁致伸缩薄膜谐振器，可以得到高初始瞬间功率，能量收集效率高。在受到每次振动冲击后，弹簧使得杠杆自身产生衰减摆动，从而施加于超磁致伸缩薄膜谐振器上的激励频率比振动源振动频率增大数倍，每个超磁致伸缩薄膜谐振器在受到激励后又产生衰减振动，从而超磁致伸缩薄膜谐振器上的振动频率比振动源的振动频率大大提高。通过采用四个超磁致伸缩薄膜谐振器对称布置于杠杆两侧的方式，杠杆的一次摆动可以使得两个超磁致伸缩薄膜谐振器同时受到激励，由此，能量收集效率得到很大提高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为超磁致伸缩薄膜谐振器的平面结构示意图。
图3为超磁致伸缩薄膜谐振器的三维模型示意图。
图4为杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置工作状态1 。
图5为杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置工作状态2。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明所述的适于从低频振动中收集能量的杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置做详细的说明：
如图1所示，四个超磁致伸缩薄膜谐振器1对称分布于杠杆2上下和左右两侧，并固定安装在墙座7上；杠杆2中点与铰链支座3通过销连接，杠杆2可以绕销轴上下摆动，杠杆2两端安装上重量不等的配重物4；铰链支座3固定安装在基座6上；弹簧5一端固定于杠杆左侧，另一端固定于基座6上。当基座6受到振动冲击时，杠杆2两端重量不等的配重物4会使得杠杆2不平衡，发生上下摆动，从而对超磁致伸缩薄膜谐振器1产生脉冲式激励；在超磁致伸缩薄膜谐振器1被冲击和衰减振动中，由于超磁致伸缩材料的压磁效应产生磁场变化，然后基于电磁感应原理，变化的磁场使得闭合线圈内产生感应电动势，从而对外输出电能。
杠杆应有一定的刚度，两端加的配重物重量不同，使得杠杆受到振动时处于不平衡状态而摆动；配重物应具有一定的耐磨性能，且易与铜层刚性连接。可以通过改变质量块的质量调节超磁致伸缩薄膜谐振器的谐振频率。
如图2所示，超磁致伸缩薄膜谐振器1中铜层11左端固定于墙座7内，右端与质量块13刚性连接为一体，超磁致伸缩薄膜11粘结在铜层12上；线圈骨架10套在超磁致伸缩薄膜11与铜层12上，并通过紧固螺钉8连接在墙座7上；感应线圈9绕在线圈骨架10上，并外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上。
图3所示是超磁致伸缩薄膜谐振器的三维模型示意图。超磁致伸缩薄膜为层片状，粘贴于铜层上。该材料具有压磁效应，也称为维拉里效应，即超磁致伸缩材料受到力的作用发生变形，会引起材料的磁化状态发生变化，即内部磁场分布发生改变。如果超磁致伸缩棒外部有感应线圈，就会产生感应电动势。
图4所示是杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置工作状态1，振动源使得杠杆2摆动，向右倾，弹簧受拉，对左上和右下的超磁致伸缩薄膜谐振器施加冲击。
图5所示是杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置工作状态2，振动源使得杠杆2摆动，向左倾，弹簧受压，对左下和右上的超磁致伸缩薄膜谐振器施加冲击。
Claims (4)
1. 杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置，包括四个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、配重物、弹簧和基座，其特征在于：四个超磁致伸缩薄膜谐振器对称分布于杠杆两侧，每侧有两个，杠杆的摆动限位于同侧的两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间，超磁致伸缩薄膜谐振器固定安装在墙座上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，杠杆两端安装重量不等的配重物；铰链支座固定安装在基座上；弹簧一端固定于杠杆一侧，另一端固定于基座上；当基座受到振动冲击时，杠杆两端重量不等的配重物使得杠杆不平衡，发生上下摆动，从而对超磁致伸缩薄膜谐振器产生脉冲式激励；在超磁致伸缩薄膜谐振器1被冲击和衰减振动中，由于超磁致伸缩材料的压磁效应产生磁场变化，然后基于电磁感应原理，变化的磁场使得闭合线圈内产生感应电动势，从而对外输出电能。
2.根据权利要求1所述的杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置，其特征在于：所述的超磁致伸缩薄膜谐振器包括紧固螺钉、感应线圈、线圈骨架、超磁致伸缩薄膜、铜层和质量块；铜层一端固定于墙座内，另一端与质量块刚性连接为一体，超磁致伸缩薄膜粘结在铜层上；线圈骨架套在超磁致伸缩薄膜与铜层上，并通过紧固螺钉连接在墙座上；感应线圈绕在线圈骨架上，并外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上。
3.根据权利要求2所述的杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置，其特征在于：所述的铜层为长方体状单层结构，用于支撑超磁致伸缩薄膜。
4.根据权利要求2所述的杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置，其特征在于：通过改变质量块的质量调节超磁致伸缩薄膜谐振器的谐振频率。
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