CN104092347A - 一种磁致伸缩振动发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致伸缩振动发电装置，属于磁致伸缩发电领域，该装置以超磁致伸缩棒作为核心元件，整体结构为轴对称式结构；下磁轭安装在底盖上部，主磁轭安装在下磁轭上部，绕有预磁化线圈的预磁化线圈骨架安装在主磁轭内腔中，绕有感应线圈的感应线圈骨架安装在预磁化线圈骨架的内孔中，下导磁块安装在感应线圈骨架的内孔中，超磁致伸缩棒安装在下导磁块的圆形凹槽中，上磁轭安装在预磁化线圈骨架和感应线圈骨架的上面，碟形弹簧安装在振动输入轴的上表面处，预紧盖穿过振动输入轴的上部。采用本发明这种磁致伸缩振动发电装置客服了现有磁致伸缩振动发电技术的不足，可实现将外界振动输入转换为电能输出的发电过程，适于推广应用。

Description

一种磁致伸缩振动发电装置

技术领域

 本发明属于磁致伸缩发电领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为核心元件的通过吸收振动而产生电能的磁致伸缩发电装置。

背景技术

在精密与超精密加工、微机械制造、激光制导等高技术领域，分布式传感器、数字处理器、便携式无线通信系统等电子设备扮演着重要的角色。目前，这些电子设备工作所需要的电能主要依靠蓄电池或一次性化学电池提供。但是由于电池容量有限，使其不能满足系统长时间工作的需要，更不能满足迅速发展的集成电路的需求；并且，电池容量易受温度影响，在电池的使用和生产过程中会产生对人体和环境有害的重金属，存在着环境污染等一系列弊端。在自然界和实际生产生活中，存在丰富的持续或间歇性的振动，例如人体振动、交通工具行驶中的颠簸振动、桥梁振动等。以利用工作和生活环境中的振动产生电能的发电方式替代电池为电子设备供电，可以解决小功率电子设备供电问题。

超磁致伸缩材料具有机械能与电磁能间的双向可逆换能效应，利用超磁致伸缩材料所具有的受力作用后发生磁致伸缩逆效应的特性，对工作环境中的振动进行收集，将振动机械能转化为变化的磁能，再结合线圈的法拉第电磁效应，可以实现将振动机械能转换为电能的发电过程。目前在超磁致伸缩材料领域中，主要是利用超磁致伸缩材料实现高精度微量进给、椭圆轴及异型孔加工、液体位置测量等。例如，在2002年Proceedings of the Power Conversion Conference第3卷的1102-1107页，发表的Angstrom positioning system using a giant magnetostriction actuator for high power applications中，Nakano等利用超磁致伸缩材料研制了一种可实现埃米级定位的超微定位系统。在2009年Smart Materials and Structures第18卷第9期，发表的A high speed magnetostrictive mirror deflector中，Angara设计了一种可用于雷达和激光系统中的高速超磁致伸缩镜面偏转器。在2008年上海交通大学学报第42卷28-31页，发表的新型磁致伸缩液位传感器检测原理与实现中，郑德智等研制了一种磁致伸缩液位传感器。但是，目前尚无有关利用超磁致伸缩材料来实现振动发电的报道。

发明内容

发明目的

针对现有磁致伸缩振动发电技术的不足的问题，本发明设计一种以超磁致伸缩棒为核心元件，以一个线圈为超磁致伸缩棒提供预磁化磁场，用另外一个线圈拾取产生的电能，以电工纯铁材料作为磁轭，可在竖直方向和水平方向工作的磁致伸缩发电装置，以达到磁致伸缩发电装置将外界振动转换为电能的发电目的。

技术方案

一种磁致伸缩振动发电装置，该装置整体结构为轴对称式结构，包括外壳；其特征在于：外壳安装在底盖上部，下磁轭安装在底盖上部，主磁轭安装在下磁轭上部，绕有预磁化线圈的预磁化线圈骨架安装在主磁轭内腔中，绕有感应线圈的感应线圈骨架安装在预磁化线圈骨架的内孔中；下导磁块与支撑环均安装在感应线圈骨架的内孔中，下导磁块设置在支撑环上方，在支撑环内霍尔传感器通过非导磁性胶固定在下磁轭的上表面中心处；下导磁块的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒，上导磁块安装在超磁致伸缩棒的上面；中心处带有通孔的上磁轭安装在主磁轭、预磁化线圈骨架和感应线圈骨架的上面，上磁轭的上面安装有上盖，阶梯轴形状的振动输入轴下端安装在上盖的中心孔中，且振动输入轴下端面与上导磁块的上表面接触，预紧盖穿过振动输入轴的上部，振动输入轴的上表面与预紧盖之间安装有碟形弹簧。

外壳为圆管状安装在的底盖上部边缘处，底盖的中心处带有圆形凸台，底盖的边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台；下磁轭上部中心处带有圆形凸台且底部中心处开有圆形凹槽，下磁轭安装在底盖的圆形凸台与圆形薄壁空心凸台之间，下磁轭下端面与底盖的上表面接触；主磁轭为圆管状，安装在下磁轭上部边缘处；预磁化线圈骨架下端面与下磁轭的上表面接触，感应线圈骨架下端面与下磁轭的上表面接触。

支撑环套在下磁轭的圆形凸台上，支撑环的下端面与下磁轭的上表面接触；霍尔传感器通过非导磁性胶固定在下磁轭的圆形凸台上表面中心处；下导磁块上部中心处带有圆形凹槽，下导磁块的下表面与支撑环的上端面接触，上导磁块下部中心处带有圆形凹槽，圆柱体状的超磁致伸缩棒的下表面与下导磁块的圆形凹槽的底面接触，超磁致伸缩棒的上表面与上导磁块的圆形凹槽的底面接触。

上导磁块与感应线圈骨架和上磁轭之间具有间隙；上盖中心处带有通孔且底部边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台，上盖的下表面与上磁轭的上表面接触。

穿过振动输入轴上部的两只碟形弹簧安装在振动输入轴的上表面与预紧盖之间，预紧盖上部中心处带有圆形凸台且中心处带有通孔，振动输入轴与上盖、两只碟形弹簧、预紧盖之间具有间隙。

底盖径向圆周上均匀分布有三只连接杆，连接杆依次穿过底盖、上盖和预紧盖上对应的圆孔，上盖和底盖通过套在连接杆上的三只锁定螺母在轴向上锁紧，预紧盖通过套在连接杆上的三只预紧螺母在轴向上锁紧，预紧盖通过三只连接杆与三只预紧螺母之间的螺纹配合将两只碟形弹簧压缩。

霍尔传感器通过非导磁性胶固定在下磁轭的圆形凸台上表面中心处。

优点及效果

本发明是一种磁致伸缩振动发电装置，具有如下优点和有益效果：

本发明以超磁致伸缩棒作为核心元件，预磁化线圈为超磁致伸缩棒提供预磁化磁场，以感应线圈拾取发电过程中产生的电能，实现了将外界振动输入转换为电能输出的发电过程；处于整个发电装置上端的预紧盖与两只碟形弹簧配合为超磁致伸缩棒提供可调的预紧力，具有预紧力调节方便且使两只碟形弹簧和振动输入轴的工作状态可见的特点；三角形的底盖、三角形的上盖和三角形的预紧套使整个磁致伸缩发电装置不仅能够工作在竖直方向，并且可以工作在水平方向。

附图说明

图1为磁致伸缩振动发电装置装配图的E-E剖面图；

图2为磁致伸缩振动发电装置装配图主视图；

图3为磁致伸缩振动发电装置装配图俯视图；

图4为实验系统示意图；

图5为底盖示意图；

图6为图5的B-B剖视图；

图7为上盖示意图；

图8为图7的B-B剖视图；

图9为实验结果图，横坐标t-时间，左纵坐标F-作用在磁致伸缩振动发电装置上的振动力，右纵坐标U-磁致伸缩振动发电装置输出的电压，a-作用在磁致伸缩振动发电装置上的振动力随时间变化的曲线，b-磁致伸缩振动发电装置输出电压随时间变化的曲线。

附图标记说明：

1-振动输入轴，2-预紧盖，3-上盖，4-上磁轭，5-主磁轭，6-外壳，7-超磁致伸缩棒，8-下导磁块，9-支撑环，10-非导磁性胶，11-霍尔传感器，12-底盖，13-下磁轭，14-预磁化线圈，15-预磁化线圈骨架，16-感应线圈，17-感应线圈骨架，18-上导磁块，19-碟形弹簧，20-预紧螺母，21-锁定螺母，22-连接杆，c-振动输入轴1的上表面，41-螺栓，42-压板，43-磁致伸缩振动发电装置，44-支撑架，45-紧固螺栓，46-激振器，47-上柔性杆，48-力传感器，49-下柔性杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明这种磁致伸缩振动发电装置以超磁致伸缩棒作为核心元件，采用感应线圈将磁通变化转化为电压，实现输入的振动机械能量转换为电能量输出的过程。磁致伸缩振动发电装置的工作原理是：依据超磁致伸缩材料的磁致伸缩逆效应原理，当超磁致伸缩材料受到外界振动力作用时，超磁致伸缩材料的磁导率发生变化，超磁致伸缩材料内部的磁通密度发生变化，从而引起在感应线圈中发生法拉第电磁效应，使感应线圈中产生电压，因此实现了通过吸收外界振动而进行发电的过程。

图1为磁致伸缩振动发电装置装配图的E-E剖面图，图2为磁致伸缩振动发电装置装配图主视图，当工作时，外界振动作用在磁致伸缩振动发电装置的振动输入轴1上，振动通过振动输入轴1、上导磁块18传递到超磁致伸缩棒7上。磁致伸缩振动发电装置中超磁致伸缩棒7的磁致伸缩逆效应特性与预磁化磁场大小有关，为了实现对预磁化磁场进行实时调节，采用通有直流电流的预磁化线圈14提供预磁化磁场；通过调节三只连接杆22与三只预紧螺母20的螺纹配合长度来改变预紧盖2对两只碟形弹簧19的压缩量，从而调整提供给超磁致伸缩棒7的预紧力；为了使超磁致伸缩棒7工作在封闭的磁回路内，采用具有低磁阻的电工纯铁材料的上磁轭4、上导磁块18、下导磁块8、下磁轭13、主磁轭5实现对磁通的引导；为了保护霍尔传感器11，并且使霍尔传感器11更准确的测量超磁致伸缩棒7内部的磁通密度，即提高霍尔传感器11测量到的磁通密度与超磁致伸缩棒7内部的磁通密度之间的比例系数，用具有大磁阻的铝材料的支撑环9将霍尔传感器11套住；为了使振动发电装置可以工作在竖直方向和水平方向，采用了三角形状的上盖3、底盖12和预紧盖2；为了防止外界环境对整个磁致伸缩振动发电装置的内部磁路产生影响，用具有大磁阻的铝材料的外壳6、上盖3、底盖12、预紧盖2和振动输入轴1将整个磁致伸缩振动发电装置内部结构封装在里面；见图1、图2和图3。

本发明提出了一种磁致伸缩振动发电装置，如图1-图8中所示，该装置整体结构为轴对称式结构，包括外壳6；其特征在于：外壳6安装在底盖12上部，下磁轭13安装在底盖12上部，主磁轭5安装在下磁轭13上部，绕有预磁化线圈14的预磁化线圈骨架15安装在主磁轭5内腔中，绕有感应线圈16的感应线圈骨架17安装在预磁化线圈骨架15的内孔中；下导磁块8与支撑环9均安装在感应线圈骨架17的内孔中，下导磁块8设置在支撑环9上方，在支撑环9内霍尔传感器11通过非导磁性胶10固定在下磁轭13的上表面中心处；下导磁块8的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒7，上导磁块18安装在超磁致伸缩棒7的上面；中心处带有通孔的上磁轭4安装在主磁轭5、预磁化线圈骨架15和感应线圈骨架17的上面，上磁轭4的上面安装有上盖3，阶梯轴形状的振动输入轴1下端安装在上盖3的中心孔中，且振动输入轴1下端面与上导磁块18的上表面接触，预紧盖2穿过振动输入轴1的上部，振动输入轴的上表面c与预紧盖2之间安装有碟形弹簧19。

外壳6为圆管状且安装在的底盖12上部边缘处，底盖12的中心处带有圆形凸台，底盖12的边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台；下磁轭13上部中心处带有圆形凸台且底部中心处开有圆形凹槽，下磁轭13安装在底盖12的圆形凸台与圆形薄壁空心凸台之间，下磁轭13下端面与底盖12的上表面接触；主磁轭5为圆管状，安装在下磁轭13上部边缘处；预磁化线圈骨架15下端面与下磁轭13的上表面接触，感应线圈骨架17下端面与下磁轭13的上表面接触。

支撑环9套在下磁轭13的圆形凸台上，支撑环9的下端面与下磁轭13的上表面接触；霍尔传感器11通过非导磁性胶10固定在下磁轭13的圆形凸台上表面中心处；下导磁块8上部中心处带有圆形凹槽，下导磁块8的下表面与支撑环9的上端面接触，上导磁块18下部中心处带有圆形凹槽，圆柱体状的超磁致伸缩棒7的下表面与下导磁块8的圆形凹槽的底面接触，超磁致伸缩棒7的上表面与上导磁块18的圆形凹槽的底面接触。

上导磁块18与感应线圈骨架17和上磁轭4之间具有一定的间隙，这样可以保证振动能够通过上导磁块18被无阻碍地传递给超磁致伸缩棒7；上盖3中心处带有通孔且底部边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台，上盖3的下表面与上磁轭4的上表面接触。

穿过振动输入轴1上部的两只碟形弹簧19安装在振动输入轴1的上表面c与预紧盖2之间，预紧盖2上部中心处带有圆形凸台且中心处带有通孔，振动输入轴1与上盖3、两只碟形弹簧19、预紧盖2之间具有一定的间隙，这样可以保证作用在振动输入轴1上的外界振动能够通过振动输入轴1被无阻碍地传递给上导磁块18。

底盖12径向圆周上均匀分布有三只连接杆22，连接杆22依次穿过底盖12、上盖3和预紧盖2上对应的圆孔，上盖3和底盖12通过套在连接杆22上的三只锁定螺母21在轴向上锁紧，预紧盖2通过套在连接杆22上的三只预紧螺母20在轴向上锁紧，预紧盖2通过三只连接杆22与三只预紧螺母20之间的螺纹配合将两只碟形弹簧19压缩。

霍尔传感器11通过非导磁性胶10固定在下磁轭13的圆形凸台上表面中心处。

实施例：本实施例中超磁致伸缩棒7的尺寸为Φ8×60mm，预磁化线圈14的高度和匝数分别为0.072m和200匝，预磁化线圈14的漆包线带皮外径为0.86mm，感应线圈16的高度和匝数分别为0.072m和600匝，感应线圈16的漆包线带皮外径为0.6mm，碟形弹簧19为A系列碟形弹簧，霍尔传感器11选用Honeywell公司生产的型号为SS496B的线性霍尔传感器，灵敏度为2.5mv/G。图4为实验系统示意图，其中主要部件的主要参数如下：（1）选用BP4620高速电源，最小可调电流为±0.001A。（2）选用泰克MSO2000B示波器。（3）选用JZK-20激振器46，其最大输出力为200N，频率范围为DC-2000HZ。（4）选用CL-YD-312拉压式力传感器48，其灵敏度可达到3pC/N，测量范围为±5KN。

实验平台的安装过程如下：将磁致伸缩振动发电装置43放置在支撑架44的底板上，三个压板42的半圆形凹槽分别对准磁致伸缩振动发电装置43的三只连接杆底端，压板42压在磁致伸缩振动发电装置43的底盖上，磁致伸缩振动发电装置43通过穿过压板42的三只螺栓41被固定在支撑架44的底板上，将下柔性杆49的下端与磁致伸缩振动发电装置43连接，下柔性杆49的上端与力传感器48的一端连接，上柔性杆47的下端与力传感器48的另一端连接，将激振器46倒置在支撑架44的上部，上柔性杆47的上端与激振器46的输出轴连接，调节激振器46的位置使上柔性杆47充分的旋入激振器46的输出轴的内部，并且使激振器46支座上的两个长条形孔与支撑架44顶部的四个圆孔对齐，激振器46位置确定后通过四只紧固螺栓45将激振器46固定在支撑架44上。功率放大器的输入端和输出端分别与信号发生器和激振器46连接，力传感器48的输出端与电荷放大器连接。高速电源的两根输出线分别与磁致伸缩振动发电装置43中的预磁化线圈的两端相接，通过导线将直流稳压电源的两个输出端与磁致伸缩振动发电装置43中的霍尔传感器的两个输入端连接，霍尔传感器的两个输出端与万用表的红黑表笔连接，电荷放大器的输出端和磁致伸缩振动发电装置43中的感应线圈输出端分别与示波器的第一、第二通道连接。

实验过程及结果：在室温环境下，直流稳压电源给磁致伸缩振动发电装置中的霍尔传感器提供5V的电压，反复调节高速电源供给磁致伸缩振动发电装置中的预磁化线圈的直流电流，直至磁致伸缩振动发电装置中的预磁化线圈的直流电流为0A时，磁致伸缩振动发电装置中的霍尔传感器的输出电压为2.5V，利用高速电源给磁致伸缩振动发电装置中的预磁化线圈提供0.5A的直流电流。调节信号发生器输出正弦信号，正弦信号经过功率放大器放大后输入到激振器，激振器输出的正弦力作用在磁致伸缩振动发电装置上。激振器输出的正弦力信号通过力传感器检测，不断调节信号发生器和功率放大器，最后使作用在磁致伸缩振动发电装置上的正弦力信号幅值为30N，频率为100HZ。磁致伸缩振动发电装置中的感应线圈中产生电压，并且感应线圈中的电压随着磁致伸缩振动发电装置受力的变化而变化，感应线圈中的电压输入到示波器中，待示波器波形稳定后采集数据。测得的磁致伸缩振动发电装置中的感应线圈的电压与磁致伸缩振动发电装置受到的力之间的关系如图7所示，实验结果曲线b为近似简谐关系。

结论：本发明所述的磁致伸缩振动发电装置能够通过收集振动实现发电的过程。

Claims (6)

1.一种磁致伸缩振动发电装置，该装置整体结构为轴对称式结构，包括外壳（6）；其特征在于：外壳（6）安装在底盖（12）上部，下磁轭（13）安装在底盖（12）上部，主磁轭（5）安装在下磁轭（13）上部，绕有预磁化线圈（14）的预磁化线圈骨架（15）安装在主磁轭（5）内腔中，绕有感应线圈（16）的感应线圈骨架（17）安装在预磁化线圈骨架（15）的内孔中；下导磁块（8）与支撑环（9）均安装在感应线圈骨架（17）的内孔中，下导磁块（8）设置在支撑环（9）上方，在支撑环（9）内霍尔传感器（11）通过非导磁性胶（10）固定在下磁轭（13）的上表面中心处；下导磁块（8）的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒（7），上导磁块（18）安装在超磁致伸缩棒（7）的上面；中心处带有通孔的上磁轭（4）安装在主磁轭（5）、预磁化线圈骨架（15）和感应线圈骨架（17）的上面，上磁轭（4）的上面安装有上盖（3），阶梯轴形状的振动输入轴（1）下端安装在上盖（3）的中心孔中，且振动输入轴（1）下端面与上导磁块（18）的上表面接触，预紧盖（2）穿过振动输入轴（1）的上部，振动输入轴的上表面（c）与预紧盖（2）之间安装有碟形弹簧（19）。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩振动发电装置，其特征在于：外壳（6）为圆管状安装在的底盖（12）上部边缘处，底盖（12）的中心处带有圆形凸台，底盖（12）的边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台；下磁轭（13）上部中心处带有圆形凸台且底部中心处开有圆形凹槽，下磁轭（13）安装在底盖（12）的圆形凸台与圆形薄壁空心凸台之间，下磁轭（13）下端面与底盖（12）的上表面接触；主磁轭（5）为圆管状，安装在下磁轭（13）上部边缘处；预磁化线圈骨架（15）下端面与下磁轭（13）的上表面接触，感应线圈骨架（17）下端面与下磁轭（13）的上表面接触。

3.根据权利要求1所述的磁致伸缩振动发电装置，其特征在于：支撑环（9）套在下磁轭（13）的圆形凸台上，支撑环（9）的下端面与下磁轭（13）的上表面接触；霍尔传感器（11）通过非导磁性胶（10）固定在下磁轭（13）的圆形凸台上表面中心处；下导磁块（8）上部中心处带有圆形凹槽，下导磁块（8）的下表面与支撑环（9）的上端面接触，上导磁块（18）下部中心处带有圆形凹槽，圆柱体状的超磁致伸缩棒（7）的下表面与下导磁块（8）的圆形凹槽的底面接触，超磁致伸缩棒（7）的上表面与上导磁块（18）的圆形凹槽的底面接触。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩振动发电装置，其特征在于：上导磁块（18）与感应线圈骨架（17）和上磁轭（4）之间具有间隙；上盖（3）中心处带有通孔且底部边缘内侧带有圆形薄壁空心凸台，上盖（3）的下表面与上磁轭（4）的上表面接触。

5.根据权利要求1所述的磁致伸缩振动发电装置，其特征在于：穿过振动输入轴（1）上部的两只碟形弹簧（19）安装在振动输入轴（1）的上表面（c）与预紧盖（2）之间，预紧盖（2）上部中心处带有圆形凸台且中心处带有通孔，振动输入轴（1）与上盖（3）、两只碟形弹簧（19）、预紧盖（2）之间具有间隙。

6.根据权利要求1所述的磁致伸缩振动发电装置，其特征在于：底盖（12）径向圆周上均匀分布有三只连接杆（22），连接杆（22）依次穿过底盖（12）、上盖（3）和预紧盖（2）上对应的圆孔，上盖（3）和底盖（12）通过套在连接杆（22）上的三只锁定螺母（21）在轴向上锁紧，预紧盖（2）通过套在连接杆（22）上的三只预紧螺母（20）在轴向上锁紧，预紧盖（2）通过三只连接杆（22）与三只预紧螺母（20）之间的螺纹配合将两只碟形弹簧（19）压缩。