CN104184364B - 磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器及其方法。振动能量采集器的底板左、右侧垂直放置左永磁体、右永磁体，底板上固定有左L型固定支撑结构、右L型固定支撑结构，底板中心设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉，左L型固定支撑结构，右L型固定支撑结构内从上到下设有工字型铰链位移放大结构下端、磁致伸缩材料、下固定件、碟簧，拾取线圈均匀绕制在磁致伸缩材料外表面，碟簧叠放在下固定件的下凸台上，左永磁体、右永磁体上端面分别与工字型铰链位移放大结构上端的下表面间存在左气隙、右气隙。本发明装置结构紧凑，便于小型微型化，具有压磁-电磁复合发电特色，可应用于高负载振动环境下的振动能量采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器及其方法，具体涉及一种小型便于集成化的磁致伸缩-电磁复合式、高负载振动能量采集器。
背景技术
随着无线传感器在传感器网络和微机电系统中的广泛应用，具有使用寿命短、维护费用高、不易于更换、污染环境等缺点的传统电池，已难以满足其供电需求。如何高效的从环境中采集能量，实现无线传感器的自供能技术，是近年来国内外学者研究的热点问题。振动能量以其存在的普遍性、能量密度高等特点被研究者青睐。同时，振动能量采集器的低成本、小体积结构、长寿命、易集成、不需更换或充电等优点，特别适合为无线传感器网络节点供电，对解决无线传感器网络节点中化学电池的更换和传感器的自供能意义重大。
目前的振动能量采集器一般采用压电材料来设计制作，具有结构体积小，便于集成化的特点，在微机电系统中具有非常好的应用前景。但现有的压电振动能量采集器存在输出电功率小、不易于工作在高负载振动环境等不足，且大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾一直是现有振动能量采集器器件开发中的关键问题。磁致伸缩材料具有非常优越的压磁能量转换特性，可工作在大应力冲击及高负载环境，能够较好的满足铁路、公路等大应力振动环境，且磁致伸缩材料的机磁耦合系数大、负载能力强、能量密度高、转换效率高等优点，特别适合于新型振动能量采集装置的应用开发。
针对现有的振动能量采集器应用中存在大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾的问题，探索及开发一种适用于高负载振动环境的小型、易于集成化的大功率、高性能振动能量采集器，为无线传感器网络中自供能技术的供电性能、使用寿命及系统稳定性提供保障。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器及其方法。
磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器包括左L型固定支撑结构、右L型固定支撑结构、工字型铰链位移放大结构、磁致伸缩材料、拾取线圈、下固定件、碟簧、下旋紧螺钉、左气隙、右气隙、左永磁体、右永磁体、底板；底板左、右侧分别设有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁体、右永磁体，底板上固定有左L型固定支撑结构、右L型固定支撑结构，底板中心设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉，左L型固定支撑结构，右L型固定支撑结构内从上到下设有工字型铰链位移放大结构下端、磁致伸缩材料、下固定件、碟簧，拾取线圈均匀的绕制在磁致伸缩材料的外表面，磁致伸缩材料的上、下端部分别放置在工字型铰链位移放大结构下端下表面和下固定件的凹槽内，碟簧叠放在下固定件的下凸台上，左永磁体、右永磁体的上端面分别与工字型铰链位移放大结构上端的下表面间存在左气隙、右气隙。
所述的工字型铰链位移放大结构、下固定件、下旋紧螺钉和底板的材质均采用高导磁特性的10号钢；左L型固定支撑结构、右L型固定支撑结构的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。
所述的下固定件采用阶梯式结构，与下旋紧螺钉、底板接触区域选用间隙配合；下固定件下端面与下旋紧螺钉凹槽面间具有5-6mm的结构调整间距。
所述的下旋紧螺钉与底板之间的螺纹螺距配合为1mm。
所述的左永磁体、右永磁体材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体和右永磁体上端均为N极，下端均为S极；左永磁体、右永磁体的上端面分别与工字型铰链位移放大结构上端的下表面间的左气隙、右气隙长度为4-5mm。
所述的左永磁体、右永磁体材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体的上端为N极，下端为S极，右永磁体的上端为S极，下端为N极；左永磁体的上端面与工字型铰链位移放大结构上端的下表面间的左气隙长度为4-5mm，右永磁体的上端面与工字型铰链位移放大结构上端的下表面间的右气隙长度为8-10mm。
采集器的磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集方法包括：旋转下旋紧螺钉挤压碟簧发生形变，可调整磁致伸缩材料工作的预压应力，调节左气隙和右气隙的长度，可调整磁致伸缩材料工作的预加偏置磁场，可根据环境振源特点调整磁致伸缩材料的预加载荷工作点；振源作用在工字型铰链位移放大结构上表面的左侧、中间、右侧时，工字型铰链位移放大结构将发生向下的位移形变或角度偏转，导致磁致伸缩材料中压应力和左气隙、右气隙的长度发生改变，磁致伸缩材料中压应力的改变将产生压磁效应，左气隙和右气隙长度的改变将使磁致伸缩材料内磁场强度发生改变，产生压磁发电-电磁发电的复合发电效果；当右永磁体采取上端N极，下端S极的充磁方式时，能量采集器在结构和采集效果上具有对称性，左永磁体、右永磁体为磁致伸缩材料提供同向且幅值相等的偏置磁场，振源作用使工字型铰链位移放大结构发生角度偏转时，左气隙和右气隙的长度将发生一增一减变化，破坏了结构上的对称性，使得左永磁体、右永磁体作用在磁致伸缩材料内磁场变化的效果相反，磁致伸缩材料内应力变化与两部分磁场变化的叠加可实现多种性能的压磁-电磁发电效果；当右永磁体采取上端S极，下端N极的充磁方式时，左永磁体、右永磁体为磁致伸缩材料提供相反的偏置磁场，能量采集器在结构和采集效果上具有非对称特点，其中左永磁体为磁致伸缩材料提供主偏置磁场，右永磁体对主偏置磁场有削减作用，由于左气隙与右气隙的有效长度不相等，振源作用在工字型铰链位移放大结构上表面时，左气隙和右气隙的长度将发生变化，当左气隙长度小于右气隙长度时，左永磁体依旧提供主磁场，当左气隙长度大于右气隙长度时，右永磁体对磁致伸缩材料合成磁场的贡献将大于左永磁体，从而实现磁致伸缩材料内合成磁场的正、反方向更替，可实现正、负信号交替的电功率输出。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1）本发明采用压磁发电与电磁发电相结合，通过装置结构的设计，可实现环境振源作用下磁致伸缩材料内压应力和磁场强度的同时改变，且采用铰链位移放大结构与可变气隙结构相集合，大大提高环境振动能量的采集及转换效率，具有大功率电能输出的能量采集特点。
2）本发明采用磁致伸缩材料来设计制作换能器，该换能器可工作在高负载的振动环境，具有高性能、高可靠性特点；同时，该结构下的磁致伸缩换能器具有预压应力、气隙长度可调节的特点，可满足宽振动频率、负载应力环境下高性能振动能量的采集需求。
3）本发明在保证较大电功率输出的前提下，具有结构体积小，组装部件少，易于拆卸、更换部件等特点，对解决现有振动能量采集器中大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾的问题非常有意义。
附图说明
图1是对称式磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器主剖视图；
图2是非对称式磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器主剖视图。
具体实施方式
如图1所示，磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器包括左L型固定支撑结构1、右L型固定支撑结构2、工字型铰链位移放大结构3、磁致伸缩材料4、拾取线圈5、下固定件6、碟簧7、下旋紧螺钉8、左气隙9、右气隙10、左永磁体11、右永磁体12、底板13；底板13左、右侧分别设有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁体11、右永磁体12，底板10上固定有左L型固定支撑结构1、右L型固定支撑结构2，底板13中心设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉8，左L型固定支撑结构1，右L型固定支撑结构2内从上到下设有工字型铰链位移放大结构3下端、磁致伸缩材料4、下固定件6、碟簧7，拾取线圈5均匀的绕制在磁致伸缩材料4的外表面，磁致伸缩材料4的上、下端部分别放置在工字型铰链位移放大结构2下端下表面和下固定件6的凹槽内，碟簧7叠放在下固定件6的下凸台上，左永磁体11、右永磁体12的上端面分别与工字型铰链位移放大结构3上端的下表面间存在左气隙9、右气隙10。
所述的工字型铰链位移放大结构3、下固定件6、下旋紧螺钉8和底板13的材质均采用高导磁特性的10号钢；左L型固定支撑结构1、右L型固定支撑结构2的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。
所述的下固定件6采用阶梯式结构，与下旋紧螺钉8、底板13接触区域选用间隙配合；下固定件6下端面与下旋紧螺钉8凹槽面间具有5-6mm的结构调整间距。
所述的下旋紧螺钉8与底板13之间的螺纹螺距配合为1mm。
所述的左永磁体11、右永磁体12材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体11和右永磁体12上端均为N极，下端均为S极，如图1所示；左永磁体11、右永磁体12的上端面分别与工字型铰链位移放大结构3上端的下表面间的左气隙9、右气隙10长度为4-5mm。
所述的左永磁体11、右永磁体12材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体11的上端为N极，下端为S极，右永磁体12的上端为S极，下端为N极，如图2所示；左永磁体11的上端面与工字型铰链位移放大结构3上端的下表面间的左气隙9长度为4-5mm，右永磁体12的上端面与工字型铰链位移放大结构3上端的下表面间的右气隙10长度为8-10mm。
采集器的磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集方法包括：旋转下旋紧螺钉8挤压碟簧7发生形变，可调整磁致伸缩材料4工作的预压应力，调节左气隙9和右气隙10的长度，可调整磁致伸缩材料4工作的预加偏置磁场，可根据环境振源特点调整磁致伸缩材料4的预加载荷工作点；振源作用在工字型铰链位移放大结构3上表面的左侧、中间、右侧时，工字型铰链位移放大结构3将发生向下的位移形变或角度偏转，导致磁致伸缩材料4中压应力和左气隙9、右气隙10的长度发生改变，磁致伸缩材料4中压应力的改变将产生压磁效应，左气隙9和右气隙10长度的改变将使磁致伸缩材料4内磁场强度发生改变，产生压磁发电-电磁发电的复合发电效果；当右永磁体12采取上端N极，下端S极的充磁方式时，能量采集器在结构和采集效果上具有对称性，左永磁体11、右永磁体12为磁致伸缩材料4提供同向且幅值相等的偏置磁场，振源作用使工字型铰链位移放大结构3发生角度偏转时，左气隙9和右气隙10的长度将发生一增一减变化，破坏了结构上的对称性，使得左永磁体11、右永磁体12作用在磁致伸缩材料4内磁场变化的效果相反，磁致伸缩材料4内应力变化与两部分磁场变化的叠加可实现多种性能的压磁-电磁发电效果；当右永磁体12采取上端S极，下端N极的充磁方式时，左永磁体11、右永磁体12为磁致伸缩材料4提供相反的偏置磁场，能量采集器在结构和采集效果上具有非对称特点，其中左永磁体11为磁致伸缩材料4提供主偏置磁场，右永磁体12对主偏置磁场有削减作用，由于左气隙9与右气隙10的有效长度不相等，振源作用在工字型铰链位移放大结构3上表面时，左气隙9和右气隙10的长度将发生变化，当左气隙9长度小于右气隙10长度时，左永磁体11依旧提供主磁场，当左气隙9长度大于右气隙10长度时，右永磁体12对磁致伸缩材料4合成磁场的贡献将大于左永磁体11，从而实现磁致伸缩材料4内合成磁场的正、反方向更替，可实现正、负信号交替的电功率输出。
Claims (7)
1.一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于包括左L型固定支撑结构（1）、右L型固定支撑结构（2）、工字型铰链位移放大结构（3）、磁致伸缩材料（4）、拾取线圈（5）、下固定件（6）、碟簧（7）、下旋紧螺钉（8）、左气隙（9）、右气隙（10）、左永磁体（11）、右永磁体（12）、底板（13）；底板（13）左、右侧分别设有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁体（11）、右永磁体（12），底板（13）上固定有左L型固定支撑结构（1）、右L型固定支撑结构(2)，底板（13）中心设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉（8），左L型固定支撑结构（1），右L型固定支撑结构(2)内从上到下设有工字型铰链位移放大结构（3）下端、磁致伸缩材料（4）、下固定件（6）、碟簧（7），拾取线圈（5）均匀的绕制在磁致伸缩材料（4）的外表面，磁致伸缩材料（4）的上、下端部分别放置在工字型铰链位移放大结构（2）下端下表面和下固定件（6）的凹槽内，碟簧（7）叠放在下固定件（6）的下凸台上，左永磁体（11）、右永磁体（12）的上端面分别与工字型铰链位移放大结构（3）上端的下表面间存在左气隙（9）、右气隙（10）。
2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于：所述的工字型铰链位移放大结构（3）、下固定件（6）、下旋紧螺钉（8）和底板（13）的材质均采用高导磁特性的10号钢；左L型固定支撑结构（1）、右L型固定支撑结构（2）的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。
3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于：所述的下固定件（6）采用阶梯式结构，与下旋紧螺钉（8）、底板（13）接触区域选用间隙配合；下固定件（6）下端面与下旋紧螺钉（8）凹槽面间具有5-6mm的结构调整间距。
4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于：所述的下旋紧螺钉（8）与底板（13）之间的螺纹螺距配合为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于：所述的左永磁体（11）、右永磁体（12）材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体（11）和右永磁体（12）上端均为N极，下端均为S极；左永磁体（11）、右永磁体（12）的上端面分别与工字型铰链位移放大结构（3）上端的下表面间的左气隙（9）、右气隙（10）长度为4-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器，其特征在于：所述的左永磁体（11）、右永磁体（12）材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，左永磁体（11）的上端为N极，下端为S极，右永磁体（12）的上端为S极，下端为N极；左永磁体（11）的上端面与工字型铰链位移放大结构（3）上端的下表面间的左气隙（9）长度为4-5mm，右永磁体（12）的上端面与工字型铰链位移放大结构（3）上端的下表面间的右气隙（10）长度为8-10mm。
7.一种使用如权利要求1所述采集器的磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集方法，其特征在于包括：旋转下旋紧螺钉（8）挤压碟簧（7）发生形变，可调整磁致伸缩材料（4）工作的预压应力，调节左气隙（9）和右气隙（10）的长度，可调整磁致伸缩材料（4）工作的预加偏置磁场，可根据环境振源特点调整磁致伸缩材料（4）的预加载荷工作点；振源作用在工字型铰链位移放大结构（3）上表面的左侧、中间、右侧时，工字型铰链位移放大结构（3）将发生向下的位移形变或角度偏转，导致磁致伸缩材料（4）中压应力和左气隙（9）、右气隙（10）的长度发生改变，磁致伸缩材料（4）中压应力的改变将产生压磁效应，左气隙（9）和右气隙（10）长度的改变将使磁致伸缩材料（4）内磁场强度发生改变，产生压磁发电-电磁发电的复合发电效果；当右永磁体（12）采取上端N极，下端S极的充磁方式时，能量采集器在结构和采集效果上具有对称性，左永磁体（11）、右永磁体（12）为磁致伸缩材料（4）提供同向且幅值相等的偏置磁场，振源作用使工字型铰链位移放大结构（3）发生角度偏转时，左气隙（9）和右气隙（10）的长度将发生一增一减变化，破坏了结构上的对称性，使得左永磁体（11）、右永磁体（12）作用在磁致伸缩材料（4）内磁场变化的效果相反，磁致伸缩材料（4）内应力变化与两部分磁场变化的叠加可实现多种性能的压磁-电磁发电效果；当右永磁体（12）采取上端S极，下端N极的充磁方式时，左永磁体（11）、右永磁体（12）为磁致伸缩材料（4）提供相反的偏置磁场，能量采集器在结构和采集效果上具有非对称特点，其中左永磁体（11）为磁致伸缩材料（4）提供主偏置磁场，右永磁体（12）对主偏置磁场有削减作用，由于左气隙（9）与右气隙（10）的有效长度不相等，振源作用在工字型铰链位移放大结构（3）上表面时，左气隙（9）和右气隙（10）的长度将发生变化，当左气隙（9）长度小于右气隙（10）长度时，左永磁体（11）依旧提供主磁场，当左气隙（9）长度大于右气隙（10）长度时，右永磁体（12）对磁致伸缩材料（4）合成磁场的贡献将大于左永磁体（11），从而实现磁致伸缩材料（4）内合成磁场的正、反方向更替，可实现正、负信号交替的电功率输出。
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