CN107579678A - 一体化多源能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化多源能量采集装置，属于能量采集领域，包括在输电导线上通过悬挑机构设置的磁电换能装置，悬挑机构由基座、压紧结构、悬臂梁组成，磁电换能装置由换能器、异形聚磁结构、永磁体Ⅰ组成，其中，异形聚磁结构套设于输电导线上，且异形聚磁结构上设置呈相对布置的换能器和永磁体Ⅰ，悬臂梁的一端通过压紧结构固定在基座上，另一端悬挑于换能器上。本发明使用一个换能器模块能够同时实现对低频(<10Hz)振动和工频(＝50Hz)磁场能量的采集，并具有易于实现、一体化、结构体积小等特点，相比现有能量采集器，工作效率更高、适应性更强。

Description

一体化多源能量采集装置

技术领域

本发明属于能量采集技术领域，涉及一种一体化多源能量采集装置。

背景技术

随着传感器技术的发展，传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化，但就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题，其中一个最主要的问题就是系统能量供应问题。所以自供能技术应运而生，外界环境中广泛的存在多种形式的能量，其中包括：振动能、风能、磁能以及太阳能等。自供能技术就是通过物理、化学等方式将这些能量转换为电能从而为传感网络以及低功耗设备供电。

目前自供能技术发展已经较为成熟，但是大部分的能量采集仅仅针对某一种能量源，例如：热电能、风能、振动能、磁场能以及其他能等。其典型方案如热电能采集装置(中国发明专利CN105355773A、CN106020313A等)、风能采集装置(中国发明专利CN106050570A、CN205725515U等)、振动能采集装置(中国发明专利CN105305881A、CN105515332A等)、磁场能采集装置(中国发明专利CN106160575A等)、其他能采集装置(中国发明专利CN105422374A、CN105897035A等)。上述发明都只针对某一种能量源进行采集，相比复杂的外界环境工作方式比较单一，适用范围比较局限。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有能量采集器能量源单一、采集效率低、应用场合局限的不足，公开提出了一种一体化多源能量采集装置。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种一体化多源能量采集装置，包括在输电导线上通过悬挑机构设置的磁电换能装置，悬挑机构由基座、压紧结构、悬臂梁组成，磁电换能装置由换能器、异形聚磁结构、永磁体Ⅰ组成，其中，异形聚磁结构套设于输电导线上，且异形聚磁结构上设置呈相对布置的换能器和永磁体Ⅰ，悬臂梁的一端通过压紧结构固定在基座上，另一端悬挑于换能器上。

采用上述方案，当外界有振动发生时，悬臂梁发生受迫振动带动换能器发生振动，此时由永磁体Ⅰ作用使换能器感受磁场梯度变化，再由磁-机-电原理产生电能。当输电导线中有工频的交变电流通过时，其周围产生交变磁场，在异形聚磁结构和永磁体Ⅰ的作用下，该交变磁场被汇聚至换能器处，该换能器的磁致伸缩材料感受到变化的磁场发生变形并将该形变传递给压电材料，从而输出电能。当外界振动和输电导线中的工频交变电流同时存在时，该装置一方面受迫振动产生电能输出，一方面受到交变磁场作用输出电能。

进一步，所述异形聚磁结构由一扇形环体和一方形环体构成，所述扇形环体背离该方形环体的背离端设有用于置放永磁体Ⅰ的上缺口，所述方形环体背离该扇形环体的背离端设有用于置放换能器的下缺口，所述扇形环体和方形环体的连接处设置有用于输电导线通过的中心孔，所述中心孔面向上缺口的对应侧设有开口，所述输电导线依次通过上缺口和开口进入到异形聚磁结构的中心孔内。

进一步于，所述方形环体上所设的下缺口呈梯形结构。

进一步，所述扇形环体上所设的上缺口具有在扇形环体径向上内凹且在扇形环体轴向上贯穿的凹槽。

进一步，所述磁电换能装置还包括永磁体Ⅱ，所述永磁体Ⅱ为四个，分布于方形环体上的下缺口四周，且相邻的两个永磁体Ⅱ的磁极相反。

进一步，所述永磁体Ⅰ、永磁体Ⅱ均采用铁磁材料制成。

进一步，所述换能器通过环氧树脂粘贴于悬臂梁上，由压电材料、磁致伸缩材料以及软磁材料的层合而成，并采用五层的FMPMF结构。

进一步，所述异形聚磁结构由高磁导率材料通过线切割加工工艺制作而成。

进一步，所述悬臂梁选用高弹性、高疲劳强度的铍青铜加工而成。

进一步，所述基座和压紧结构由非导磁铝材制作。

本发明还提供一种基于磁电换能器的导线磁场能量采集方法，利用上述的一体化多源能量采集装置，该采集方法包括如下步骤：首先，将聚磁结构套装于输电导线上；然后，利用该聚磁结构汇聚输电导线周围的微弱磁场，并传导至其上缺口处，同时利用聚磁结构的下缺口处所设的永磁体来增强聚磁结构的聚磁效果；然后，利用聚磁结构的上缺口处所设的换能器来感受交变磁场，并完成磁-机-电的转化，最终输出电能。

相比现有的输电导线周围磁场能量采集器，本发明有以下有益效果：

1、本发明中采用异形聚磁结构结合永磁体，极大的提高了磁场汇聚效果，相比传统的磁场能量采集器，该采集装置的采集效率更高。

2、本发明针对振动能量采集器的发明现状，采用五层对称结构的换能器，提高了采集的工作效率。

3、本发明是一种一体化多源能量采集装置，使用一个换能器模块能够同时实现对低频(<10Hz)振动和工频(＝50Hz)磁场能量的采集，容易实现、一体化、结构体积小，相比现有能量采集器，工作效率更高、适应性更强。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1：本发明所涉及的一体化多源能量采集装置三维结构图；

图2：异形聚磁结构以及永磁体Ⅱ的结构示意图；

图3：换能器的结构示意图；

图4：永磁体Ⅱ极化方向示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-4，附图中的元件标号分别表示：基座1、压紧结构2、悬臂梁3、换能器4、异形聚磁结构5、永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7、输电导线8；其中，扇形环体51、方形环体52、上缺口53、下缺口54、中心孔55、凹槽56。

实施例基本如附图所示：本实施例提供一种一体化多源能量采集装置，包括在输电导线8上通过悬挑机构设置的磁电换能装置，悬挑机构由基座1、压紧结构2、悬臂梁3组成，磁电换能装置由换能器4、异形聚磁结构5、永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7组成，其中，异形聚磁结构5套设于输电导线8上，且异形聚磁结构5上设置呈相对布置的换能器4和永磁体Ⅰ6，异形聚磁结构5在靠近换能器一端还设置永磁体Ⅱ7，悬臂梁3的一端通过压紧结构2固定在基座1上，另一端悬挑于换能器4上。

采用上述方案，当外界发生振动时，悬臂梁3受迫振动带动自由端的换能器4进行振动，此时由于永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7组成磁路的存在，使得换能器4感受到磁场的梯度变化，根据磁-机-电转换原理输出电能。并通过调整永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7的磁性能以及几何参数使得在该结构下形成的磁路磁场梯度变化最强，通过仿真优化使得悬臂梁3实现低频谐振(<10Hz)。当输电导线8中有交变电流流过时，其周围产生交变磁场，通过异形聚磁结构5以及永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7的共同作用使得该交变磁场被汇聚至异形聚磁结构的下缺口处，此时换能器4感受到交变磁场由磁-机-电转换原理输出电能。通过仿真调整异形聚磁结构5的几何参数以及永磁体Ⅰ6、永磁体Ⅱ7的磁性能，使得该结构的异形聚磁结构达到最优。同理，当外界振动和输电导线8电流同时存在时，该采集装置一方面通过受迫振动产生电能，一方面通过交变磁场的作用产生电能。从而实现了对外界环境中磁场和振动能量的同时采集。

本实施例中的异形聚磁结构5由一扇形环体51和一方形环体52构成，该扇形环体51背离该方形环体52的背离端设有用于置放永磁体Ⅰ6的上缺口53，该方形环体52背离该扇形环体51的背离端设有用于置放换能器4的下缺口54，该扇形环体51和方形环体52的连接处设置有用于输电导线8通过的中心孔55，该中心孔55面向上缺口53的对应侧设有开口(未标记)，该输电导线8依次通过上缺口53和开口可进入到异形聚磁结构5的中心孔55内。

本实施例中的方形环体52上所设的下缺口54呈梯形结构。这样便于换能器4在该下缺口54处的放置更加稳固。

本实施例中的扇形环体51上所设的上缺口53具有在扇形环体51径向上内凹且在扇形环体51轴向上贯穿的凹槽56。通过该凹槽设计，可使永磁体Ⅰ被很好的夹持在该上缺口处。

在另一实施例中的永磁体Ⅰ6是一种带有一定弧度的磁铁，选择磁性能较好的铁磁材料制成，被夹持在异形聚磁结构5上缺口53的凹槽56处，主要用以增强对磁场的汇聚作用，其次为换能器提供静态偏置磁场，通过仿真研究，调整该永磁体的磁性强度，使得在该结构下换能器的输出达到最大。

本实施例中的永磁体Ⅱ7为四个，呈阵列分布于方形环体52上的下缺口54四周，且相邻的两个永磁体Ⅱ7的磁极相反。为磁电式振动能量采集提供静态梯度磁场。且永磁体Ⅰ、永磁体Ⅱ均采用铁磁材料制成。

本实施例中的换能器4通过环氧树脂粘贴于悬臂梁3上，由压电材料、磁致伸缩材料以及软磁材料的层合而成，并采用五层的FMPMF结构。具体的换能器4基于非线性磁-机-电耦合效应，包括两层软磁材料层4-1，两层磁致伸缩层4-2，一层压电层4-3，利用环氧树脂粘合剂粘贴在一起，制备过程中胶层要涂的薄而均匀，并在80℃烤箱中进行加热固化2小时。其中F层是指软磁材料(如FeCoV、FeCuNbSiB等)，凭借其高导磁率和磁滞特性，一方面配合异形聚磁结构5进一步增强换能器4所感受到的磁场强度，另一方面可以提升磁致伸缩材料的压磁性能，M层是指磁致伸缩材料(如Terfenol-D、FeNi等)利用其自身的特殊效应产生形变完成磁-机转换并将该形变传递给压电材料，P层指的是压电材料(如PZT、PVDF、ZnO、AlN等)根据压电效应实现机-电转换；最终通过优化计算确定与聚磁结构相配合的最佳尺寸。

本实施例中的异形聚磁结构5由高磁导率材料通过线切割加工工艺制作而成。其中心孔55靠近输电导线8可以更好的传导输电导线8周围的磁场，整体采用镂空的方式可以在保证聚磁效果最优的同时最大限度的减小结构的体积，该结构的上下处分别开有两个缺口，其中上缺口53是为了安置永磁体Ⅰ6，该永磁体Ⅰ6主要是为了增强磁场汇聚效果，另一方面也为换能器4的磁致伸缩材料提供静态偏执磁场，下缺口54是方便换能器感4受汇聚后的磁场以及振动时进行采能，在下缺口54处还固定有永磁体Ⅱ7，该永磁体Ⅱ7形成一个一定强度的磁路，在振动时被用以采能。通过综合调整异形聚磁结构以及上缺口53出的永磁体Ⅰ6使得该装置的聚磁效果达到最佳，通过调整下缺口54处永磁体Ⅱ7的几何以及磁性能参数，使得形成的磁路的磁场梯度最强。

本实施例中的基座1和压紧结构2由非导磁铝材制作，用以连接并固定悬臂梁3，并通过仿真使得其谐振频率较低(<10Hz)。而悬臂梁3选用高弹性、高疲劳强度的铍青铜加工而成。

总的来说，本发明的一体化多源能量采集器可以同时采集低频振动和工频的交变磁场，具有原理简单、工作效率高、适用性广等诸多优点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一体化多源能量采集装置，其特征在于，包括在输电导线(8)上通过悬挑机构设置的磁电换能装置，悬挑机构由基座(1)、压紧结构(2)、悬臂梁(3)组成，磁电换能装置由换能器(4)、异形聚磁结构(5)、永磁体Ⅰ(6)组成，其中，异形聚磁结构套设于输电导线上，且异形聚磁结构上设置呈相对布置的换能器和永磁体Ⅰ，悬臂梁的一端通过压紧结构固定在基座上，另一端悬挑于换能器上。

2.根据权利要求1所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述异形聚磁结构由一扇形环体(51)和一方形环体(52)构成，所述扇形环体背离该方形环体的背离端设有用于置放永磁体Ⅰ的上缺口(53)，所述方形环体背离该扇形环体的背离端设有用于置放换能器的下缺口(54)，所述扇形环体和方形环体的连接处设置有用于输电导线通过的中心孔(55)，所述中心孔面向上缺口的对应侧设有开口，所述输电导线依次通过上缺口和开口进入到异形聚磁结构的中心孔内。

3.根据权利要求2所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述方形环体上所设的下缺口呈梯形结构。

4.根据权利要求2所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述扇形环体上所设的上缺口具有在扇形环体径向上内凹且在扇形环体轴向上贯穿的凹槽(56)。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述磁电换能装置还包括永磁体Ⅱ(7)，所述永磁体Ⅱ为四个，分布于方形环体上的下缺口四周，且相邻的两个永磁体Ⅱ的磁极相反。

6.根据权利要求5所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述永磁体Ⅰ、永磁体Ⅱ均采用铁磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述换能器通过环氧树脂粘贴于悬臂梁上，由压电材料、磁致伸缩材料以及软磁材料的层合而成，并采用五层的FMPMF结构。

8.根据权利要求1所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述异形聚磁结构由高磁导率材料通过线切割加工工艺制作而成。

9.根据权利要求1所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述悬臂梁选用高弹性、高疲劳强度的铍青铜加工而成。

10.根据权利要求1所述的一体化多源能量采集装置，其特征在于，所述基座和压紧结构由非导磁铝材制作。