CN106602835A - 一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器及其制作方法，包括外壳，外壳外侧为保护套，内侧为线圈绕柱和磁铁放置腔；线圈绕柱的上部固定有顶部线圈，线圈绕柱的中部固定有中间线圈，线圈绕柱的下部固定有底部线圈；顶部线圈、中间线圈和底部线圈串联连接后由导线引出；顶面保护盖内固定有顶部固定磁铁，底面保护盖内固定有底部固定磁铁；顶部固定磁铁与底部固定磁铁之间安装有两个悬浮磁铁,相邻磁铁之间相斥设置。本发明既能拓宽能量采集器的工作频带，又能提高能量采集器的输出功率；能够有效的将外部结构的振动能量转化为电能，有助于解决结构健康监测无线传感器的供能问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器及其制作方法
技术领域
本发明属于电学及能量采集装置技术领域，尤其涉及一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器及其制作方法。
背景技术
无线传感器技术的发展，为结构健康监测提供了一种很有前景的手段。但无线传感器节点的内置电池容量低，需要频繁更换，长期监测维护成本较高。有效的解决办法之一是利用能量采集器装置把结构的振动能量转换成电能并采集起来，为无线传感器节点供电。
振动能量采集器根据采能原理主要分为三种类型，分别为静电式、压电式和电磁式。静电式能量采集器利用电容的变化来产生电能，但需要外部电源来保证电容极板的电压，从而限制了其应用。压电式能量采集器利用压电材料的正压电效应产生电能，其整体性能和使用寿命受制于压电材料的电能转化效率和疲劳性能。电磁式能量采集器是利用法拉第电磁感应定律把结构的机械振动能量转化为电能，具有不受材料性能限制和环境适应性强等优点，比静电式和压电式能量采集器更适用于结构健康监测传感器工作的复杂环境。Li等设计了一种梳状平面重叠和平面间隙闭合拓扑结构的静电电容振动能量采集器，但只在高频的时候才有较高的输出功率，难以实际应用。Ali等在建立了一种线性单自由度压电能量采集器模型，将车桥振动简化为二维简支梁移动力模型，分析了不同车速下能量采集器的输出功率。Sazonov等设计了一种自供能的无线监测系统，通过场地测试验证了电磁式能量采集器为传感器供电的可行性。然而上述能量采集器只在其共振频率处有较大的功率输出，但偏离其共振频率时，能量采集器的输出功率急剧下降。在振动能量采集器实际应用时，外部环境中结构的振动激励可能具有较宽的频带范围，并且具有振幅小和频率低的特点，导致该类型能量采集器采能效率不高。为了拓宽能量采集器的工作频带，Mann等提出了由三块磁极相对的磁铁组成的单自由度磁悬浮式振动能量采集器(Single-degree-of-freedom Magnetic levitation vibration Energy Harvester，以下简写为SMEH)。Green等分析了该单自由度磁悬浮式振动能量采集器在某悬索桥振动激励下的响应特性，结果表明单自由度磁悬浮式振动能量采集器的采集带宽可通过改变其非线性刚度来改变，但并不能提高其输出功率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新型的双自由度磁悬浮式振动能量采集器(Two-degree-of-freedom Magnetic levitation vibration Energy Harvester，以下简写为TMEH)及其制作方法。本发明既能拓宽能量采集器的工作频带，又能提高采集器的输出功率；能够适应结构振动振幅小和频率低的特点，将外部结构的振动能量转化为电能，为结构健康监测传感器供能。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器，包括外壳，外壳的上部固定有顶部感应线圈，中部固定有中间感应线圈，下部固定有底部感应线圈；顶部感应线圈、中间感应线圈和底部感应线圈串联连接后由导线引出；顶面保护盖内固定有顶部固定磁铁，底面保护盖内固定有底部固定磁铁；顶部感应线圈和中间感应线圈之间设置有第一块悬浮磁铁；中间感应线圈与底部感应线圈之间设置有第二块悬浮磁铁；相邻磁铁之间相斥设置；顶面保护盖和底面保护盖分别扣合安装于外壳的上部和下部。
进一步的改进，顶部固定磁铁、第一块悬浮磁铁、第二块悬浮磁铁和底部固定磁铁同轴设置，相邻磁铁间留有间距。
进一步的改进，顶部固定磁铁、第一块悬浮磁铁、第二块悬浮磁铁和底部固定磁铁的直径相同，但小于外壳内侧线圈绕柱的内径。
进一步的改进，所述顶部固定磁铁与底部固定磁铁的厚度相同；第一块悬浮磁铁的厚度小于第二块悬浮磁铁的厚度。
进一步的改进，所述第一块悬浮磁铁和与第二块悬浮磁铁的厚度大于顶部固定磁铁和底部固定磁铁的厚度。
进一步的改进，所述第一块悬浮磁铁和第二块悬浮磁铁处于平衡位置时，相邻磁铁之间的间距相等。
进一步的改进，所述顶部感应线圈、中间感应线圈和底部感应线圈的缠绕圈数和缠绕高度相同。
进一步的改进，所述顶部感应线圈、中间感应线圈和底部感应线圈的缠绕高度均大于第一块悬浮磁铁与第二块悬浮磁铁的厚度。
进一步的改进，所述外壳包括作为外部缠绕线圈的内层和作为保护套的外层，顶部感应线圈、中间感应线圈和底部感应线圈均处于内层的腔体内，内层外套有外层。
一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：采用3D打印技术或CNC数控加工制作能量采集器系统的顶面保护盖、底面保护盖、外壳；
步骤二：在外壳内层的外侧，采用漆包铜线分别绕出顶部感应线圈、中间感应线圈和底部感应线圈；
步骤三：将第一块悬浮磁铁和第二块悬浮磁铁安装于外壳内层的磁铁放置腔，将顶部固定磁铁和底部固定磁铁分别安装于顶面保护盖和底面保护盖；
步骤四：将顶面保护盖、底面保护盖分别扣合于外壳的上部和下部，进行能量采集器的组装。
与现有能量采集器技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中悬浮磁铁在自身重力与电磁阻尼的相互作用下往复运动，使固定感应线圈中的磁通量发生改变，悬浮磁铁运动摩擦力小，能量损失小，能够有效的将外部结构的振动能量转化为电能。
2.本发明通过两块悬浮磁铁相互耦合形成双自由度系统，具有两个谐振频率，增宽了能量采集器采能的频带范围。并可通过调整能量采集器装置的尺寸参数，来增强能量采集器的共振峰值，从而提高能量采集器的采能效率。
3.本发明能够适应结构振动振幅小和频率低的特点，可对结构振动能量做多次高效采集，为结构健康监测传感器供能，具有很好的市场应用价值。
附图说明
图1为本发明的分拆结构示意图；
图2为本发明组装后的结构示意图；
图3为SMEH的激励频率与输出功率曲线；
图4为TMEH的激励频率与输出功率曲线。
其中，1-顶面保护盖，2-外壳，3-顶部固定磁铁，4-顶部感应线圈，5-第一块悬浮磁铁，6-中间感应线圈，7-第二块悬浮磁铁，8-底部感应线圈，9-底部固定磁铁，10-底面保护盖，11-外壳内层线圈绕柱，12-外壳外层保护套。
具体实施方式
以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器，如图1、2所示，包括一块顶部固定磁铁3和一块底部固定磁铁9，所述顶部固定磁铁3和底部固定磁铁9分别安装于顶面保护盖1以及底面保护盖10。所述顶面保护盖1和底面保护盖10分别扣合安装于外壳2上。外壳2外侧(外层12)为保护套，内侧(内层11)为线圈绕柱，线圈绕柱内形成磁铁放置腔。线圈绕柱内放置两块悬浮磁铁5和7，上、中、下三个螺旋感应线圈分别缠绕于线圈绕柱上悬浮磁铁5和7以及固定磁铁3和9之间所形成的空隙。
具体实施时，顶面保护盖1以及底面保护盖10、固定磁铁3和9以及三个感应线圈通过外壳2固定成为一体，悬浮磁铁5和7放置于外壳2内，相邻磁铁的磁极相同，所述磁铁包括悬浮磁铁5和7和固定磁铁3和9，相邻磁铁间留有空隙。所述磁铁3、5、7、9处于同轴状态。所述固定磁铁3和9以及悬浮磁铁5和7的直径相同，并小于外壳2内侧线圈绕柱的内径。固定磁铁3和9采用相同厚度，悬浮磁铁5的厚度小于悬浮磁铁7的厚度，并大于固定磁铁3和9的厚度。当悬浮磁铁处于平衡位置时，相邻磁铁之间的间距相等。所述螺旋感应线圈4、6、8的缠绕圈数和缠绕高度相同，螺旋感应线圈缠绕高度大于悬浮磁铁5和7的厚度，螺旋感应线圈4、6、8串联后由导线引出，该引出导线与储能回路相连接。这在制作工艺上实现比较简单，为了侧重振动能量采集器的结构本身，图中没有画出引出导线与储能回路。所述磁铁均采用钕铁硼永磁体，所述顶面保护盖1、底面保护盖10、外壳2的内层11和外层12均采用不被磁铁吸引的金属或塑料制作。
将上述振动能量采集器的顶面保护盖1或者底面保护盖10安装于结构主要振动方向上。通过磁铁间的相互排斥力使磁铁5和7处于悬浮状态，悬浮磁铁5和7能够感应外界振动而产生响应振动，并在自身平衡位置处做往返运动。从而引起螺旋感应线圈4、6、8中磁通量的改变，继而可循环反复地将外部结构的振动能量转化为电能。
由于桥梁等结构有振动振幅小和频率低的特点，故取简谐激励振动幅值为0.5m/s2、1m/s2、1.5m/s2，激励频率范围为[2,6]Hz。为进行对比，设计了磁铁总体积和能量采集装置的总体积相同的单自由度磁悬浮式振动能量采集器SMEH和双自由度磁悬浮振式动能量采集器TMEH，其他参数保持一致。
SMEH和TMEH在简谐振动激励下的频率与功率曲线分别如图3和图4所示。由图3可知，单自由度磁悬浮式振动能量采集器只有一个波峰，即只存在单一的谐振频率；由图4可知，双自由度磁悬浮式振动能量采集器存在两个波峰，拓宽了能量采集器的采能带宽。由图3和图4可知，在激励幅值为1m/s2时，双自由度磁悬浮式振动能量采集器最大峰值输出功率比单自由度磁悬浮式振动能量采集器的峰值输出功率提高了逾2倍，采能带宽增加了逾3倍。由图3和图4可知，激励幅值越大，能量采集器系统获取的振动能量越多，磁悬浮式振动能量采集器的输出功率越大。且随着激励幅值的增大，双自由度磁悬浮式振动能量采集器最大峰值输出功率比单自由度磁悬浮式振动能量采集器的峰值输出功率提高比率越大，即在相同激励下，双自由度磁悬浮式振动能量采集器比单自由度磁悬浮式振动能量采集器能够采集到更多的结构振动能量。由此可知，在磁铁材料用量和能量采集器装置体积相同的情况下，双自由度磁悬浮式振动能量采集器的输出功率能得到大幅提高，比单自由度磁悬浮式振动能量采集器具有更高的能量采集效率。
这种振动能量采集器设计具有对外部结构振动的高敏感性，能够采集桥梁等结构的低频小幅振动。能量转化过程中的摩擦损失小，结构稳定性高，能够有效的将外部结构的振动能量转化为电能。本发明结构设计简单，有助于解决结构健康监测无线传感器的供能问题，具有广阔的应用前景。
上述整个双自由度磁悬浮式振动能量采集器装置的具体实现步骤如下：
步骤一：采用3D打印技术或CNC数控加工制作能量采集器系统的顶面保护盖1、底面保护盖10、外壳2；
步骤二：在外壳2内侧的线圈绕柱上，采用漆包铜线分别绕出顶部感应线圈4、中间感应线圈6和底部感应线圈8；
步骤三：将第一块悬浮磁铁5和第二块悬浮磁铁7安装于外壳2内层的磁铁放置腔，将顶部固定磁铁3和底部固定磁铁9分别安装于顶面保护盖1和底面保护盖10；
步骤四：将顶面保护盖1、底面保护盖10分别扣合于外壳2的上部和下部，进行能量采集器系统组装。
上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，振动能量采集器结构在永磁铁采用圆形或方型或其他形状、永磁铁尺寸大小、螺旋感应线圈的缠绕圈数和缠绕高度、螺旋感应线圈放置方式、保护外壳外观等方面没有限制，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，包括外壳(2)，外壳(2)的上部固定有顶部感应线圈(4)，中部固定有中间感应线圈(6)，下部固定有底部感应线圈(8)；顶部感应线圈(4)、中间感应线圈(6)和底部感应线圈(8)串联连接后由导线引出；顶面保护盖(1)内固定有顶部固定磁铁(3)，底面保护盖(10)内固定有底部固定磁铁(9)；顶部感应线圈(4)和中间感应线圈(6)之间设置有第一块悬浮磁铁(5)；中间感应线圈(6)与底部感应线圈(8)之间设置有第二块悬浮磁铁(7)；相邻磁铁之间相斥设置；顶面保护盖(1)和底面保护盖(10)分别扣合安装于外壳(2)的上部和下部。
2.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，顶部固定磁铁(3)、第一块悬浮磁铁(5)、第二块悬浮磁铁(7)和底部固定磁铁(9)同轴设置，相邻磁铁间留有间距。
3.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，顶部固定磁铁(3)、第一块悬浮磁铁(5)、第二块悬浮磁铁(7)和底部固定磁铁(9)的直径相同，但小于外壳内侧线圈绕柱的内径。
4.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述顶部固定磁铁(3)与底部固定磁铁(9)的厚度相同；第一块悬浮磁铁(5)的厚度小于第二块悬浮磁铁(7)的厚度。
5.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述第一块悬浮磁铁(5)和与第二块悬浮磁铁(7)的厚度大于顶部固定磁铁(3)和底部固定磁铁(9)的厚度。
6.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述第一块悬浮磁铁(5)和第二块悬浮磁铁(7)处于平衡位置时，相邻磁铁之间的间距相等。
7.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述顶部感应线圈(4)、中间感应线圈(6)和底部感应线圈(8)的缠绕圈数和缠绕高度相同。
8.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述顶部感应线圈(4)、中间感应线圈(6)和底部感应线圈(8)的缠绕高度均大于第一块悬浮磁铁(5)与第二块悬浮磁铁(7)的厚度。
9.如权利要求1所述的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，其特征在于，所述外壳(2)包括内层(11)和外层(12)，内层(11)外侧缠绕有顶部感应线圈(4)、中间感应线圈(6)和底部感应线圈(8)，线圈外侧套有外层(12)，外层(12)为保护套；顶部固定磁铁(3)、第一块悬浮磁铁(5)、第二块悬浮磁铁(7)和底部固定磁铁(9)均处于内层(11)的腔体内。
10.一种双自由度磁悬浮式振动能量采集器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用3D打印技术或CNC数控加工制作能量采集器系统的顶面保护盖(1)、底面保护盖(10)、外壳(2)；
步骤二：在外壳(2)内层的外侧，采用漆包铜线分别绕出顶部感应线圈(4)、中间感应线圈(6)和底部感应线圈(8)；
步骤三：将第一块悬浮磁铁(5)和第二块悬浮磁铁(7)安装于外壳(2)内层的磁铁放置腔，将顶部固定磁铁(3)和底部固定磁铁(9)分别安装于顶面保护盖(1)和底面保护盖(10)；
步骤四：将顶面保护盖(1)、底面保护盖(10)分别扣合于外壳(2)的上部和下部，进行能量采集器的组装。
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Date Code Title Description
PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Deng Lu

Inventor after: Nie Xinmin

Inventor after: Xu Jun

Inventor after: He Wei

Inventor after: Wang Wei

Inventor before: Deng Lu

Inventor before: Nie Xinmin

Inventor before: He Wei

Inventor before: Wang Wei