CN103762889A - 基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器。本发明中的一种技术方案包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、电磁体、上弹簧、下弹簧和箱体。两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆位于两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间的一端安装有第一电磁体，另一端接在串联的上弹簧、下弹簧之间。另一种技术方案中将上弹簧、下弹簧替换为磁铁对，并在该磁铁对所在的杠杆一端设置相吸的电磁体。本发明利通过采用两个超磁致伸缩薄膜谐振器对称布置于杠杆一端的上下侧方式，杠杆的一次摆动可以依次使得两个超磁致伸缩薄膜谐振器受到激励，由此，能量收集效率得到很大提高。

Description

基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，具体涉及一种基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器。

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，提出一种高效率的基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器。

本发明的一种技术方案为：

本发明包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、第一电磁体、上弹簧、下弹簧和箱体。

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一个侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，杠杆位于两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间的一端安装有第一电磁体，另一端接在串联的上弹簧、下弹簧之间，上弹簧和下弹簧构成弹簧组呈竖直设置。

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、铜层和第二电磁体。铜层一端固定于侧壁内，另一端与第二电磁体刚性连接为一体，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。

所述的第一电磁体与第二电磁体相对面极性相同。

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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。

本发明的另一种技术方案为：

本发明包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、电磁体、弹簧和箱体。

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，弹簧的一端固定在超磁致伸缩薄膜谐振器与基座之间的杠杆上，另一端固定在箱体底部上，杠杆的两端安装电磁体，与超磁致伸缩薄膜谐振器相对的另一侧壁上安装有电磁体对，杠杆的摆动同样限位于电磁体对之间。

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、铜层和电磁体。铜层一端固定于侧壁内，另一端与电磁体刚性连接为一体，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侧壁上；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。

杠杆的一端上的电磁体与超磁致伸缩薄膜谐振器电磁体相对面极性相同，杠杆的另一端上的电磁体与电磁体对相对面极性相反。

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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。

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，通过杠杆将振动载荷施加于超磁致伸缩薄膜谐振器，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。通过采用两个超磁致伸缩薄膜谐振器对称布置于杠杆一端的上下侧方式，杠杆的一次摆动可以依次使得两个超磁致伸缩薄膜谐振器受到激励，由此，能量收集效率得到很大提高。

附图说明

图1为本发明的第一种技术方案结构示意图。

图2为本发明的第二种技术方案结构示意图。

图3为超磁致伸缩薄膜谐振器的平面结构示意图。

图4为超磁致伸缩薄膜谐振器的三维模型示意图。

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于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器做详细的说明：

如图1所示，本实施例包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器1、杠杆3、铰链支座4、第一电磁体2、上弹簧5、下弹簧6和箱体7。

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一个侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，杠杆位于两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间的一端安装有第一电磁体，另一端接在串联的上弹簧、下弹簧之间，上弹簧和下弹簧构成弹簧组呈竖直设置。

如图3和图4所示，超磁致伸缩薄膜谐振器包括紧固螺钉8、感应线圈9、线圈骨架10、超磁致伸缩薄膜11、铜层12和第二电磁体13。铜层一端固定于侧壁内，另一端与第二电磁体刚性连接为一体，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。超磁致伸缩薄膜具有压磁效应，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。第一电磁体2与第二电磁体13相对面都为N极。

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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。

如图2所示，本实施例包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、电磁体、弹簧14和箱体。

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，弹簧的一端固定在超磁致伸缩薄膜谐振器与基座之间的杠杆上，另一端固定在箱体底部上，杠杆的两端安装电磁体，与超磁致伸缩薄膜谐振器相对的另一侧壁上安装有电磁体对，杠杆的摆动同样限位于电磁体对之间。

如图3和图4所示，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、铜层和电磁体。铜层一端固定于侧壁内，另一端与电磁体刚性连接为一体，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侧壁上；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。

杠杆的一端上的电磁体与超磁致伸缩薄膜谐振器电磁体相对面都为N极，杠杆的另一端上的电磁体与电磁体对相对面极性相反，即相对面的极性为N-S-N。

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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。

Claims (2)

1.基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器，包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、第一电磁体、上弹簧、下弹簧和箱体；

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一个侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，杠杆位于两个超磁致伸缩薄膜谐振器之间的一端安装有第一电磁体，另一端接在串联的上弹簧、下弹簧之间，上弹簧和下弹簧构成弹簧组呈竖直设置；

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、铜层和第二电磁体；铜层一端固定于侧壁内，另一端与第二电磁体刚性连接为一体，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；

所述的第一电磁体与第二电磁体相对面极性相同；

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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.基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器，包括两个超磁致伸缩薄膜谐振器、杠杆、铰链支座、电磁体、弹簧和箱体；

两个超磁致伸缩薄膜谐振器位于杠杆一侧，杠杆的摆动限位于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箱体一侧壁上；杠杆中点与铰链支座通过销连接，杠杆绕销轴上下摆动，铰链支座固定安装在箱体底部上，弹簧的一端固定在超磁致伸缩薄膜谐振器与基座之间的杠杆上，另一端固定在箱体底部上，杠杆的两端安装电磁体，与超磁致伸缩薄膜谐振器相对的另一侧壁上安装有电磁体对，杠杆的摆动同样限位于电磁体对之间；

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、铜层和电磁体；铜层一端固定于侧壁内，另一端与电磁体刚性连接为一体，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侧壁上；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；

杠杆的一端上的电磁体与超磁致伸缩薄膜谐振器电磁体相对面极性相同，杠杆的另一端上的电磁体与电磁体对相对面极性相反；

当箱体受到振动冲击时，杠杆发生上下摆动，从而杠杆一端的电磁铁对超磁致伸缩薄膜谐振器产生排斥力，使得超磁致伸缩薄膜谐振器弯曲变形，从而使得铜层上的超磁致伸缩薄膜材料变形，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。

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