CN103762891B - 柱状超磁致伸缩式俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状超磁致伸缩式俘能器。本发明中的配重物、螺钉、L型杠杆、铰链支座、支撑轴、轴承构成拾振放大机构，其中L型杠杆通过支撑轴和轴承安装在铰链支座上，配重物固定在L型杠杆一端托盘上。在基座受到振动冲击时，L型杠杆上的配重物会在惯性力的作用下上下振动，从而使得L型杠杆绕支撑轴摆动，传递并放大压力至输入顶杆上，然后输入顶杆的球型压头作用于超磁致伸缩棒上，使其压缩变形。由于超磁致伸缩材料的维拉里效应产生磁感应强度变化，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。本发明装置体积小、重量轻，且能量转换效率高，工作可靠，使用寿命长，适用于为微型机电设备供电。

Description

柱状超磁致伸缩式俘能器

技术领域

本发明涉及一种能量俘获装置，具体涉及柱状超磁致伸缩式俘能器，属于新型能源技术领域。

背景技术

近年来，由于地球上化石能源的过度使用，导致能源危机、空气污染、温室效应及气候变迁等众多问题，因此各国研究者开始寻找各种可替代的绿色能源，如太阳能、水力、风能、地热、潮汐能、海洋温差及振动能等。因振动能不受天气因素的影响，不受季节影响，在生活环境中非常普遍，且采用适当俘获装置即可转换成电能形式，能从环境中俘获能量的装置称为俘能器，它已成为新的能量收集研究热点。

传统的振动能量俘获方式有电磁式、静电式、压电式，其中压电式的振动能量俘获技术研究最多、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俘获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俘能器结构大多采用悬臂梁，这种俘能器的能量转换只有μW或mW级别，当振动源是低幅振动时，能量转换则更少。但通常环境中大量存在的振动是低幅振动，因此研究超磁致伸缩俘能器在低幅振动时的发电特性会更有实际意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的基于低幅振动下，现有的振动能量俘获装置转换效率低的问题，提出一种高效率的柱状超磁致伸缩式俘能器。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括输入顶杆、上端盖、蝶形弹簧、圆筒外壳、感应线圈、线圈骨架、超磁致伸缩棒、U型上支架、下端盖、调节螺钉10、防松螺钉、配重物、L型杠杆、U型下支架、永磁体、铰链支座、支撑轴、轴承。配重物、L型杠杆、铰链支座、支撑轴、轴承构成拾振放大机构，其中L型杠杆通过支撑轴和轴承安装在铰链支座上，配重物固定在L型杠杆一端托盘上。超磁致伸缩棒安装在圆筒外壳内的中心轴线上，超磁致伸缩棒外套有线圈骨架、感应线圈和永磁体，其中感应线圈绕在线圈骨架上，并穿过下端盖上的孔外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上。超磁致伸缩棒左端装有输入顶杆、蝶形弹簧和上端盖，其中输入顶杆穿过上端盖中心通孔，并能自由滑动，蝶形弹簧套在输入顶杆上，上端盖与圆筒外壳螺纹连接。超磁致伸缩棒右端装有调节螺钉、防松螺钉和下端盖，其中下端盖与圆筒外壳螺纹连接，调节螺钉、放松螺钉与下端盖中心孔螺纹配合并固定压紧超磁致伸缩棒。圆筒外壳安装在U型下支架上，并由螺栓将U型上支架和U型下支架夹紧，从而将圆筒外壳固定。输入顶杆与拾振放大机构中L型杠杆另一端球形面接触，且L型杠杆位于圆筒外壳正下方。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1）体积小、重量轻，便于与微型机电设备集成。

2）预压力和配重物可调，有利于获得更高的能量转换效率。

3）超磁致伸缩材料应变量大，可在较小振幅下可产生更高的电压。

4）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，使用寿命更长。

5）环境中的低幅振动驱动L型杠杆摆动，L型杠杆拾取并放大低幅激振应力，然后通过输入顶杆以脉冲式冲击荷载施加于超磁致伸缩棒上，可以得到高初始瞬间功率；此外L型杠杆自身产生衰减摆动，从而多次对超磁致伸缩薄棒施加激励，由此，能量收集效率高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的三维模型示意图。

图中：1.输入顶杆；2.上端盖；3.蝶形弹簧；4.圆筒外壳；5.感应线圈；6.线圈骨架；7.超磁致伸缩棒；8.U型上支架；9.下端盖；10.调节螺钉；11.防松螺钉；12.配重物；13.螺钉；14.L型杠杆；15.U型下支架；16.永磁体；17.铰链支座；18.支撑轴；19.轴承。

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幅激振中收集能量的柱状超磁致伸缩式俘能器做详细的说明：

如图1所示，柱状超磁致伸缩式俘能器，包括输入顶杆1、上端盖2、蝶形弹簧3、圆筒外壳4、感应线圈5、线圈骨架6、超磁致伸缩棒7、U型上支架8、下端盖9、调节螺钉10、防松螺钉11、配重物12、螺钉13、L型杠杆14、U型下支架15、永磁体16、铰链支座17、支撑轴18、轴承19。其特征在于：配重物12、螺钉13、L型杠杆14、铰链支座17、支撑轴18、轴承19构成拾振放大机构，其中L型杠杆14通过支撑轴18和轴承19安装在铰链支座17上，配重物12固定在L型杠杆14一端托盘上。超磁致伸缩棒7安装在圆筒外壳4内的中心轴线上，超磁致伸缩棒7外套有线圈骨架6、感应线圈5和永磁体16，其中感应线圈5绕在线圈骨架6上，并穿过下端盖9上的孔外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上。超磁致伸缩棒7左端装有输入顶杆1、蝶形弹簧3和上端盖2，其中输入顶杆1穿过上端盖2中心通孔，并能自由滑动，蝶形弹簧3套在输入顶杆1上，上端盖2与圆筒外壳4螺纹连接。超磁致伸缩棒7右端装有调节螺钉10、防松螺钉11和下端盖9，其中下端盖9与圆筒外壳4螺纹连接，调节螺钉10和放松螺钉11与下端盖9中心孔螺纹配合并固定压紧超磁致伸缩棒7。圆筒外壳4安装在U型下支架15上，并由螺栓将U型上下支架夹紧，从而将圆筒外壳4固定。输入顶杆1与拾振放大机构中L型杠杆14一端球形面接触，且L型杠杆14位于圆筒外壳4正下方。

所述的能量转换材料为圆柱状超磁致伸缩棒，该材料具有维拉里效应，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，即内部磁感应强度改变。如果超磁致伸缩棒外部有感应线圈，就会产生感应电动势。

所述的输入顶杆应有一定的刚度，保证压力传递的效率；其两端都做成球面形状，保证力的传递方向沿着超磁致伸缩棒的轴线方向，增大压应力。

所述的输入压杆、圆筒外壳、上端盖、下端盖为导磁材料，从而与超磁致伸缩棒形成闭合磁路；其他为非导磁材料。

所述的永磁体用于提供偏置磁场，改善超磁致伸缩棒的机电耦合关系，提高能量转换效率。

所述的L型杠杆采用不锈钢材料，具有一定的刚度，保证压力传递的效率。

同时可以通过改变配重物的质量调节L型杠杆的谐振频率以及输入的压力。可以通过调节螺钉调整超磁致伸缩棒上的预应力。

本发明工作过程：在基座受到振动冲击时，L型杠杆上的配重物会在惯性力的作用下上下振动，从而使得L型杠杆绕支撑轴摆动，传递并放大压力至输入顶杆上，然后输入顶杆的球型压头作用于超磁致伸缩棒上，使其压缩变形。由于超磁致伸缩材料的维拉里效应产生磁感应强度变化，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。

图2所示为本发明的三维模型示意图。配重物安放在L型杠杆一端托盘上，并由螺钉固定；圆筒外壳安装在U型下支架上，并由螺栓将U型上下支架夹紧，从而将圆筒外壳固定；上下端盖分别切出两对称侧平面，便于端盖的拧紧安装。

Claims (3)

1.柱状超磁致伸缩式俘能器，包括输入顶杆、上端盖、蝶形弹簧、圆筒外壳、感应线圈、线圈骨架、超磁致伸缩棒、U型上支架、下端盖、调节螺钉、防松螺钉、配重物、L型杠杆、U型下支架、永磁体、铰链支座、支撑轴、轴承；其特征在于：配重物、L型杠杆、铰链支座、支撑轴、轴承构成拾振放大机构，其中L型杠杆通过支撑轴和轴承安装在铰链支座上，配重物固定在L型杠杆一端托盘上；超磁致伸缩棒安装在圆筒外壳内的中心轴线上，超磁致伸缩棒外套有线圈骨架、感应线圈和永磁体，其中感应线圈绕在线圈骨架上，并穿过下端盖上的孔外接至调节电路，然后连接到微型机电设备或储能器上；超磁致伸缩棒左端装有输入顶杆、蝶形弹簧和上端盖，其中输入顶杆穿过上端盖中心通孔，并能自由滑动，蝶形弹簧套在输入顶杆上，上端盖与圆筒外壳螺纹连接；超磁致伸缩棒右端装有调节螺钉、防松螺钉和下端盖，其中下端盖与圆筒外壳螺纹连接，调节螺钉、放松螺钉与下端盖中心孔螺纹配合并固定压紧超磁致伸缩棒；圆筒外壳安装在U型下支架上，并由螺栓将U型上支架和U型下支架夹紧，从而将圆筒外壳固定；输入顶杆与拾振放大机构中L型杠杆另一端球形面接触，且L型杠杆位于圆筒外壳正下方；

所述的超磁致伸缩棒具有维拉里效应，即在受到力的作用发生变形，会引起材料的磁化状态发生变化；

所述的输入顶杆、圆筒外壳、上端盖、下端盖为导磁材料，从而与超磁致伸缩棒形成闭合磁路。

2.根据权利要求1所述的柱状超磁致伸缩式俘能器，其特征在于：所述的永磁体用于提供偏置磁场，改善超磁致伸缩棒的机电耦合关系，提高能量转换效率。

3.根据权利要求1所述的柱状超磁致伸缩式俘能器，其特征在于：可以通过改变配重物的质量调节L型杠杆的谐振频率以及输入的压力，可以通过调节螺钉调整超磁致伸缩棒上的预应力，有利于获得更高的能量转换效率。