CN108233665B - 闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，在悬臂梁固定端上安装固定两个磁轭支架，磁轭支架远离固定端的一侧有斜面；磁轭支架为非磁性的材料制成，在两个磁轭支架之间安装磁轭，磁轭为软磁材料制成，磁轭安装位置上看，为左右对称形状且分别卡入两个磁轭支架中，磁轭中部有一安装轴；磁轭上的安装轴缠绕了一个感应线圈。感应线圈两引出端接能量收集电路；悬臂梁靠近悬臂梁固定端处安装永磁体，永磁体的N极和S极分别与磁轭下部形状部分正对，但不接触，在正对方向存在气隙。本发明能量转换效率较高、振动阻尼较小。
Description
技术领域
本发明涉及电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种利用悬臂梁振动收集能量的装置。
背景技术
物联网和无线传感网络中存在大量分布的物联网节点与无线传感节点，上述节点均需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，由此产生某些负面影响：第一，电池电量有限，限制节点使用寿命；第二，化学电池引起的二次污染，对自然环境与其中的生物构成威胁。针对上述问题，研究能量收集技术以利用可再生能源实现物联网节点的自供电意义重大。
在生活中可能遇到多种振动源，例如洗衣机振动主频率大于为110Hz，柴油机的典型振动频率为70Hz。许多学者致力于研究将振动能量收集转换为电能，根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式，其中静电式由于产生电量较低相关研究偏少。
自然环境中振动也无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等。通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：
1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。
2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。
上述2个问题，给自然环境次下能量收集带来一定难度，这是由于目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，同时自然环境振动的幅度远超过其运动部件的运动极限。于是，出现了悬臂梁振动能量收集结构，外界低频率、较大波幅的振动撞击悬臂梁，激励悬臂梁产生高频、较大振幅的自由振动的方式收集能量。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于小型电磁式振动能量收集装置的开发，于2007发表的论文Beeby S P,Torah R N,Tudor M J,Glynne-Jones P,O'Donnell T,Saha C R,Roy S.A microelectromagnetic generator for vibration energy harvesting[J].JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING,2007,17:1257-1265，引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的悬臂梁式振动能量收集装置，包含一条作为弹性元件的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达428mV，功率46μW。2015发表的论文Li,Ping；Gao,Shiqiao；Cai,Huatong.Modeling and analysis of hybrid piezoelectric and electromagneticenergy harvesting from random vibrations.Microsystem Technologies,2015,21(2):401-414，讨论了一种固支梁结构的振动能量收集装置，装置中具有电磁式和压电式两套独立的能量收集装置。
除上述两篇论文，具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置尚有大量公开的文献，但均有共同的缺陷：第一，未实现闭合磁路，即磁力线在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，必然降低磁感应强度，对提高发电功率极为不利，反之，如果实现闭合磁路则将大幅提高发电功率；第二，装置中磁路(包括线圈)中部分元件参与振动，部分不参与，造成元件之间的磁力阻碍振动的问题。
发明内容
为了克服已有具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置的能量转换效率较低、振动阻尼较大的不足，本发明提供一种能量转换效率较高、振动阻尼较小的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，所述悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，所述悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，在所述悬臂梁固定端上安装固定两个磁轭支架，所述磁轭支架远离固定端的一侧有用以在振动时避免与悬臂梁碰撞的斜面；磁轭支架为非磁性的材料制成，在所述两个磁轭支架之间安装磁轭，磁轭为软磁材料制成，磁轭安装位置上看，为左右对称形状且分别卡入两个磁轭支架中，所述磁轭中部有一安装轴；所述磁轭上的安装轴缠绕了一个感应线圈，所述感应线圈两引出端接能量收集电路；所述悬臂梁靠近悬臂梁固定端处安装永磁体，所述永磁体的N极和S极分别与磁轭下部形状部分正对，但不接触，在正对方向存在气隙。
进一步，所述磁轭支架上表面有两个螺孔，该二螺孔位于非居中位置，而所述两个螺孔均偏向另一磁轭支架。
在所述悬臂梁固定端上的两个方孔内安装固定两个磁轭支架。
所述磁轭与磁轭支架的上接触面各有一个长孔，所述磁轭上部的每一长孔各有两组螺钉及其垫片，所述螺钉穿过长孔，将磁轭紧定于两个磁轭支架上，所述螺钉及其垫片为非磁性材料。
所述磁轭左右两部分的下部均为呈梯形状。
再进一步，所述悬臂梁靠近悬臂梁固定端处通过粘接的方式安装了永磁体。
所述永磁体为呈浅U型，U型两上端分别为永磁体的N极和S极。
更进一步，从安装位置看，所述悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽，所述悬臂梁利用上下方向的振动进行能量收集；所述永磁体的N极和S极分别与磁轭下部两梯形状部分上下正对，在上下方向存在气隙。
所述悬臂梁尾部设有配重。
本发明讨论悬臂梁被外力激励后发生上下振动时的如下三种情况：
第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，该闭合磁路从永磁体N极，经气隙，磁轭、气隙，回到永磁体S极。该闭合磁路的存在是由于两处气隙宽度较小，保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中磁轭磁阻可忽略，磁阻几乎完全来自气隙，而气隙宽度较小磁阻也较小，此时磁路磁感应强度处于中等水平。
第二，当悬臂梁向上振动弯曲，此时上述闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，两处气隙磁阻急剧下降，闭合磁路中的总磁阻急剧下降，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过线圈的磁链同样也急剧上升。
第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上述闭合磁路中两处气隙宽度扩大，两处气隙磁阻急剧上升，磁路中的总磁阻急剧上升，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降。此时可以认为闭合磁路以断开。
对比上述三种情况，悬臂梁上下振动过程中，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，依据电磁感应原理，将在线圈中产生较强感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，以达到振动能量收集的目的。
本发明的有益效果主要表现在：第一，实现闭合磁路，杜绝大量漏磁，能量转换效率高；第二，利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，改变磁感应强度和线圈磁链，产生电动势，由于气隙宽度的微小改变能造成磁感应强度和线圈磁链的很大改变，产生的电动势将比较高，进一步调高了能量转换效率；第三，装置中闭合磁路位置上整体接近与悬臂梁的固定端，磁力力臂很短，力矩小，闭合磁路中的磁力对振动的阻尼作用小，利于持续振动能量收集；第四，磁力只在向下振动时有上一点所说的有限的阻尼作用，在向上振动时实际有助于加剧振动。
附图说明
图1为装置装配图，其中悬臂梁固定端未整体表示。
图2为装置装配图。
图3为磁轭图。
图4为永磁体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，在外界激励下将产生有一定持续性的自由振动，并通过具有闭合磁路的电磁式装置进行能量收集为低功耗无线传感器节点、物联网节点供电。下面来阐述其中的具体结构：
本装置有一悬臂梁固定端1，见图1和图2，作为整个装置的安装位，为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。
进一步，在固定端上的两个方孔内安装固定两个磁轭支架2，见图1和图2，磁轭支架为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固刚度性好。安装位置看，磁轭支架远离固定端的一侧有斜面，用以在振动时避免与悬臂梁碰撞。
进一步，在上述两个磁轭支架之间安装磁轭3，见图1、图2和图3，磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。磁轭安装位置上看，为左右对称形状，分别卡入两个磁轭支架中。磁轭与磁轭支架的上接触面各有一个长孔。磁轭左右两部分的下部均为呈梯形状。磁轭中部有一安装轴。
进一步，磁轭上部的每一长孔各有两组螺钉及其垫片4，见图1，穿过长孔，将磁轭紧定于两个磁轭支架上，要求螺钉及其垫片为非磁性材料，如铝。
进一步，磁轭上的安装轴缠绕了一个漆包铜线圈5，见图1。线圈两引出端接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。
进一步，一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端的是悬臂梁6，见图1和图2，为非磁性的材料制成，要求不导磁；同时，悬臂梁作为弹性元件，要求有较好韧性。从安装位置看，悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽，说明该装置只接受上下方向的外界激励，利用上下方向的振动进行能量收集。悬臂梁尾部有配重，增加悬臂尾部重量，利于起振和持续自由振动。
进一步，从安装位置看，悬臂梁靠近悬臂梁固定端处，通过粘接的方式安装了永磁体7，见图1和图4，为永磁材料成的，并要求有较好的刚性。永磁体为呈浅U型，U型两上端分别为永磁体的N极和S极。永磁体的N极和S极分别与磁轭下部两梯形状部分上下正对，但不接触，在上下方向存在较小宽度的气隙，约宽0.5mm。由于磁轭上方有长孔，磁轭与永磁体在悬臂梁纵向上的相对位置有一定调整余地；进而，磁轭下部两梯形状部分使得磁轭下部与永磁体的N极和S极正对的面积也可调。
本实施例讨论悬臂梁被外力激励后发生上下振动时的如下三种情况：
第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，该闭合磁路从永磁体N极，经气隙，磁轭、气隙，回到永磁体S极。该闭合磁路的存在是由于两处气隙宽度较小，保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中磁轭磁阻可忽略，磁阻几乎完全来自气隙，而气隙宽度较小磁阻也较小，此时磁路磁感应强度处于中等水平。
第二，当悬臂梁向上振动弯曲，此时上述闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，两处气隙磁阻急剧下降，闭合磁路中的总磁阻急剧下降，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过线圈的磁链同样也急剧上升。
第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上述闭合磁路中两处气隙宽度扩大，两处气隙磁阻急剧上升，磁路中的总磁阻急剧上升，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降。此时可以认为闭合磁路以断开。
对比上述三种情况，悬臂梁上下振动过程中，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，依据电磁感应原理，将在线圈中产生较强感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，以达到振动能量收集的目的。
本实施例的方案实现闭合磁路，杜绝大量漏磁，能量转换效率高；利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，改变磁感应强度和线圈磁链，产生电动势，由于气隙宽度的微小改变能造成磁感应强度和线圈磁链的很大改变，产生的电动势将比较高，进一步调高了能量转换效率；装置中闭合磁路位置上整体接近与悬臂梁的固定端，磁力力臂很短，力矩小，闭合磁路中的磁力对振动的阻尼作用小，利于持续振动能量收集；磁力只在向下振动时有上一点所说的有限的阻尼作用，在向上振动时实际有助于加剧振动。
Claims (9)
1.一种闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，所述悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，所述悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，其特征在于：在所述悬臂梁固定端上安装固定两个磁轭支架，所述磁轭支架面向悬臂梁的一侧有用以在振动时避免与悬臂梁碰撞的斜面；磁轭支架为非磁性的材料制成，在所述两个磁轭支架之间安装磁轭，磁轭为软磁材料制成，磁轭安装位置上看，为左右对称形状且分别卡入两个磁轭支架中，所述磁轭中部有一安装轴；所述磁轭上的安装轴缠绕了一个感应线圈，所述感应线圈两引出端接能量收集电路；所述悬臂梁靠近悬臂梁固定端处安装永磁体，所述永磁体的N极和S极分别与磁轭下部形状部分正对，但不接触，在正对方向存在气隙1。
2.如权利要求1所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述磁轭支架上表面有两个螺孔，所述两个螺孔位于非居中位置，而所述两个螺孔均偏向另一磁轭支架。
3.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：在所述悬臂梁固定端上的两个方孔内安装固定两个磁轭支架。
4.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述磁轭与磁轭支架的上接触面各有一个长孔，所述磁轭上部的每一长孔各有两组螺钉及其垫片，所述螺钉穿过长孔，将磁轭紧定于两个磁轭支架上，所述螺钉及其垫片为非磁性材料。
5.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述磁轭左右两部分的下部均为呈梯形状。
6.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁靠近悬臂梁固定端处通过粘接的方式安装了永磁体。
7.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述永磁体为呈浅U型，U型两上端分别为永磁体的N极和S极。
8.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：从安装位置看，所述悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽，所述悬臂梁利用上下方向的振动进行能量收集；所述永磁体的N极和S极分别与磁轭下部两梯形状部分上下正对，在上下方向存在气隙。
9.如权利要求1或2所述的闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁尾部设有配重。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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