CN106208609A - 用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器及制作方法，属于振动能量采集技术领域；该采集器包括外壳、推杆、第一固定挡板、第二固定挡板、弹簧、多根固定杆和采集装置；本发明结构稳定新颖、体积较小，从而所占空间小，具有比其他装置更强的安装能力，使用方便，能够在更多的微机电系统中得到广泛的应用，同时利用MSMA材料的伸缩效应和维拉利效应将振动能量转换为幅值频率可变的交流电压，达到机械能‑电能转换的目的，转换效果更好，并且制作方法简单，实用性更大。

Description

用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器及制作方法

技术领域

本发明属于振动能量采集技术领域，具体涉及一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器及制作方法。

背景技术

现有的将振动能量转化为电能的采集器比较少，一部分体积过大且笨重，不适合应用于实际中去，而只作为实验样机做研究；还有一部分体积能够做到较小，但其所转换的电量太微弱，以至于对于其应用范围有限和应用价值较小；并且现有的采集器结构不稳定，使用方法繁琐，实用性差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器，包括外壳、推杆、第一固定挡板、第二固定挡板、弹簧、多根固定杆和采集装置；

所述的外壳的底部设置有推杆，外壳的内部设置有第一固定挡板和第二固定挡板，第一固定挡板和第二固定挡板平行相对设置，并通过固定杆相连接，第一固定挡板的下表面设置有弹簧，弹簧的另一端与外壳的底面相连接；所述第一固定挡板与第二固定挡板之间的中部设置有采集装置，推杆穿过外壳的底部和第一固定挡板，并与采集装置的底部相接触；

所述的采集装置包括第一硅钢片、第二硅钢片、缠绕有感应线圈的第三硅钢片、缠绕有感应线圈的第四硅钢片、两个磁铁和导向套；所述两个磁铁的异性磁极端相对放置，内部设置有形状记忆合金的导向套设置在两个磁铁之间；第一硅钢片、第二硅钢片、第三硅钢片和第四硅钢片在两个磁铁外部围成方形，第一硅钢片和第二硅钢片分别与两个磁铁的另一个磁极端相连接。

所述的形状记忆合金采用磁控形状记忆合金。

所述的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、设定形状记忆合金的尺寸和磁场感应强度阈值，根据所设定的尺寸和阈值，建立磁路三维模型，确定磁铁的尺寸范围，并在磁铁的尺寸范围内选定体积最小的磁铁作为采集器磁铁；

步骤2、设定采集器运行参数，根据所设定的采集器运行参数进行电磁仿真，获得实际磁场感应强度；所述的采集器运行参数包括形状记忆合金的相对磁导率、硅钢片相对磁导率、磁铁的相对磁导率、磁铁的矫顽力和空气相对磁导率；

步骤3、判断获得的实际磁场感应强度是否大于等于所设定的磁场感应强度阈值，若是，执行步骤4，否则，返回执行步骤1，重新确定采集器磁铁的尺寸；

步骤4、将当前设置的采集器磁铁的尺寸作为用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的磁铁的尺寸，并进一步确定用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的全部零件尺寸；

步骤5、根据确定的全部零件尺寸，进行制造用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器。

本发明的优点：

本发明提出一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器，结构稳定新颖、体积较小，从而所占空间小，具有比其他装置更强的安装能力，使用方便，能够在更多的微机电系统中得到广泛的应用，同时利用MSMA材料的伸缩效应和维拉利效应将振动能量转换为幅值频率可变的交流电压，达到机械能-电能转换的目的，转换效果更好，并且制作方法简单，实用性更大。

附图说明

图1为本发明一种实施例的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的正视图；

图2为本发明一种实施例的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的剖视图；

图3为本发明一种实施例的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的制作方法流程图；

图4为本发明一种实施例的磁通密度矢量图；

其中，1为外壳，2为推杆，3为第一固定挡板，4为第二固定挡板，5为弹簧，6为固定杆，7为第一硅钢片，8为第二硅钢片，9为第三硅钢片，10为第四硅钢片，11为磁铁，12为导向套，13为感应线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1和图2所示，一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器，包括外壳1、推杆2、第一固定挡板3、第二固定挡板4、两个弹簧5、多根固定杆6和采集装置；其中，

所述外壳1的底部固定设置有推杆2，推杆2能够伸缩进外壳1中，也可以伸出外壳1，方便安装在振动装置上；外壳1的内部设置有第一固定挡板3和第二固定挡板4，第一固定挡板3和第二固定挡板4平行相对设置，并通过固定杆6相连接，第一固定挡板3的下表面设置有两个轻质弹簧5，两个弹簧5的另一端均与外壳1的的底面相连接；所述第一固定挡板3与第二固定挡板4之间的中心部位设置有采集装置，推杆2穿过外壳1的底部和第一固定挡板3，并与采集装置的底部相接触；

本发明实施例中，所述的采集装置包括第一硅钢片7、第二硅钢片8、第三硅钢片9、第四硅钢片10、两个磁铁11和导向套12；所述第一硅钢片7和第二硅钢片8的形状为长方形，第三硅钢片9和第四硅钢片10的形状为倒工字形，第三硅钢片9和第四硅钢片10中间的横杆均缠绕有感应线圈13；所述两个磁铁11的异性磁极端平行相对放置，导向套12设置在两个磁铁11之间，导向套12的左右两端分别与两个磁铁11的异性磁极端相连接，导向套12内部设置有形状记忆合金；第一硅钢片7、第二硅钢片8、第三硅钢片9和第四硅钢片10在两个磁铁11外部围成方形，第一硅钢片7和第二硅钢片8分别与两个磁铁11的与磁极端相对应的另一端相连接，第三硅钢片9和第四硅钢片10分别与两个磁铁11的前后端相平行，并且第三硅钢片9和第四硅钢片10上的感应线圈13分别与导向套12的前后端位置相对应；

本发明实施例中，所述的形状记忆合金采用磁控形状记忆合金(MSMA)，其形变温度范围一般在-100～200℃，能够完全恢复的形变量可达6～8％，比超磁致伸缩材料Terfenol-D变形率高出约50倍，是一种兼有感知和驱动功能的新型材料；与温控型形状记忆合金(SMA)相比，磁控形状记忆合金(MSMA)是近几年出现的一种新型功能材料，该材料在马氏体条件下外加磁场可以使其有较大的变形率，并具有形状记忆功能，力能密度大，响应频率高；

本发明实施例中，所述的磁铁11采用永磁体；

本发明实施例中，采用多根固定杆6将第一固定挡板3、第二固定挡板4、第一硅钢片7、第二硅钢片8、第三硅钢片9、第四硅钢片10和磁铁11均进行固定，增强稳定性；

本发明实施例中，用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的制作方法，方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、采用尺寸为5mm*5mm*20mm的形状记忆合金，该形状记忆合金在磁场强度为0.5T以上的磁场中，其变化率较为显著，因此设定磁场感应强度阈值为0.5T，以所设定的尺寸和阈值为约束条件，利用有限元分析软件ANSYS对磁场进行仿真，建立磁路三维模型，确定磁铁的尺寸范围为大于5mm*10mm*25mm，并选定尺寸为5mm*10mm*25mm的磁铁作为采集器磁铁；

步骤2、设定采集器运行参数，即ANSYS软件进行分析时的参数为：MSMA的相对磁导率为10(变化范围为2～65)；硅钢片的相对磁导率为10⁴；永磁体的相对磁导率为1.7507；磁铁的矫顽力为1.5*10⁵A/m；空气的相对磁导率为1；根据所设定的采集器运行参数，获得磁通密度矢量图；

本发明实施例中，获得的磁通密度矢量图如图4所示；

步骤3、判断通过材料的磁场强度是否高于0.5T，若是，执行步骤4，否则，返回执行步骤1，根据实际情况重新确定采集器磁铁的尺寸和参数；

本发明实施例中，将实际材料进行磁场测量，获得的实际磁场感应强度为0.594T，大于所设定的磁场感应强度阈值，达到了材料所需要的磁通量，因此执行步骤4；

步骤4、将当前设置的采集器磁铁的尺寸作为用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的磁铁的尺寸，并进一步确定用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的全部零件尺寸；

本发明实施例中，确定的全部零件尺寸为：导向套的尺寸为7mm*6mm*20mm；第一硅钢片和第二硅钢片的尺寸为25mm*18mm；第三硅钢片和第四硅钢片中间的横杆的长度均为13mm，宽度为9mm；第一固定挡板的尺寸为49mm*34mm，中间有14mm*14mm的开口，第二固定挡板的尺寸为50mm*35mm，中间有一处凸出，长宽高分别为7mm、7mm、2.5mm；

步骤5、根据确定的全部零件尺寸，进行制造用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器；

本发明实施例中，用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的使用方法为：将用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器放置在振动装置上，振动装置振动时MSMA材料与推杆撞击，由于压力使MSMA材料产生形变，从而改变磁通量的变化，感应线圈的电流也随之改变，借助MSMA材料的维拉利效应，实现了获取幅值频率可变的交流感应电压的目的。

Claims (3)

1.一种用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器，其特征在于：包括外壳、推杆、第一固定挡板、第二固定挡板、弹簧、多根固定杆和采集装置；

所述的外壳的底部设置有推杆，外壳的内部设置有第一固定挡板和第二固定挡板，第一固定挡板和第二固定挡板平行相对设置，并通过固定杆相连接，第一固定挡板的下表面设置有弹簧，弹簧的另一端与外壳的底面相连接；所述第一固定挡板与第二固定挡板之间的中部设置有采集装置，推杆穿过外壳的底部和第一固定挡板，并与采集装置的底部相接触；

所述的采集装置包括第一硅钢片、第二硅钢片、缠绕有感应线圈的第三硅钢片、缠绕有感应线圈的第四硅钢片、两个磁铁和导向套；所述两个磁铁的异性磁极端相对放置，内部设置有形状记忆合金的导向套设置在两个磁铁之间；第一硅钢片、第二硅钢片、第三硅钢片和第四硅钢片在两个磁铁外部围成方形，第一硅钢片和第二硅钢片分别与两个磁铁的另一个磁极端相连接。

2.根据权利要求1所述的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器，其特征在于：所述的形状记忆合金采用磁控形状记忆合金。

3.权利要求1所述的用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、设定形状记忆合金的尺寸和磁场感应强度阈值，根据所设定的尺寸和阈值，建立磁路三维模型，确定磁铁的尺寸范围，并在磁铁的尺寸范围内选定体积最小的磁铁作为采集器磁铁；

步骤2、设定采集器运行参数，根据所设定的采集器运行参数进行电磁仿真，获得实际磁场感应强度；所述的采集器运行参数包括形状记忆合金的相对磁导率、硅钢片相对磁导率、磁铁的相对磁导率、磁铁的矫顽力和空气相对磁导率；

步骤3、判断获得的实际磁场感应强度是否大于等于所设定的磁场感应强度阈值，若是，执行步骤4，否则，返回执行步骤1，重新确定采集器磁铁的尺寸；

步骤4、将当前设置的采集器磁铁的尺寸作为用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的磁铁的尺寸，并进一步确定用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器的全部零件尺寸；

步骤5、根据确定的全部零件尺寸，进行制造用于将振动能量转化成电能的振动能量采集器。