CN108306549A - 一种磁致伸缩能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩能量采集器，包括：设置有环形线圈的第一承载板，环形线圈内环设有磁致伸缩体；可相对第一承载板转动的第二承载板，在第二承载板上呈环形分布的多个磁体；当第二承载体带动磁体相对于第一承载板转动时磁致伸缩体产生向正对磁体边界位置运动的趋势，从而和环形线圈的内环之间产生一个相互挤压的作用力，磁致伸缩体产生压磁效应，使得环形线圈内产生压磁电流，另外，由于磁体相对于环形线圈转动，使得环形线圈的磁通量发生变化，使得环形线圈内还会产生感应电流。利用本发明中的磁致伸缩能量采集器，能够输出更高的电功率，提高了能量采集器的能量转化效率，满足了为无线传感器供电的要求。

Description

一种磁致伸缩能量采集器

技术领域

本发明涉及能量采集器技术领域，特别是涉及一种磁致伸缩能量采集器。

背景技术

无线传感器在传感器网络和微机电系统中被广泛应用，但其使用寿命短、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。而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。目前比较常用的能量采集器是基于压电陶瓷制作的能量采集器，但是现有的压电陶瓷振动能量采集器存在输出电功率低、不易于工作在高负载振动环境等不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁致伸缩能量采集器，解决了能量采集器输出电功率低，不易工作在高负载振动环境的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁致伸缩能量采集器，包括：

设置有凹槽的第一承载板；沿所述凹槽内壁固定的环形线圈；设置在所述环形线圈的内环的磁致伸缩体；和所述第一承载板平行设置的第二承载板，在所述第二承载板上呈环形分布的多个磁体；其中，所述第一承载体可相对于第二承载体绕旋转中心轴转动，且所述旋转中心轴和所述第一承载板垂直，多个所述凹槽呈环形分布，所述凹槽所在环形上相邻所述凹槽间距相等，所述磁体所在环形上相邻所述磁体间距相等，且多个所述凹槽和多个所述磁体到所述旋转中心轴的距离相等。

其中，所述磁体为具有扇形横截面的磁体，且所述扇形横截面的扇形弧线的圆心位于所述旋转中心轴上；

所述凹槽为具有圆形横截面的凹槽，所述凹槽的横截面面积和所述磁体横截面面积的比例为0.65～0.75。

其中，所述磁体的数量为偶数个，且相邻所述磁体之间的充磁方向相反，且充磁方向均和所述旋转中心轴平行。

其中，相邻所述磁体之间设置有隔磁块，所述隔磁块的形状大小和所述磁体的形状大小相同。

其中，所述第一承载板上所述凹槽数量是所述第二承载板上所述磁体数量的两倍。

其中，相邻所述磁体的侧边缘部位相互贴合设置。

其中，所述第一承载板上所述凹槽数量和所述第二承载板上所述磁体数量相等。

其中，所述第二承载板靠近所述第一承载板的表面还贴合固定有隔磁板，所述磁体设置于所述隔磁板和所述第二承载板之间，且所述隔磁板靠近第二承载板的表面的滑动摩擦系数不大于预设摩擦系数。

其中，所述隔磁板的厚度为1mm-2mm，且所述隔磁板和所述第一承载板之间设置有0.4mm-0.6mm的间隙。

其中，所述第二承载板上设置有圆柱形凸起部，且所述圆柱形凸起部的中心轴线和所述旋转中心轴重合，所述圆柱形凸起部贯穿所述第一承载板的厚度并和所述第一承载板通过轴承相连接。

本发明所提供的磁致伸缩能量采集器，在第一承载板上设置呈环形分布的多个环形线圈以及设置在环形线圈内环中的磁致伸缩体。在可相对于第一承载板转动的第二承载板上设置呈环形分布的多个磁体，而磁致伸缩体和磁体的之间的稳定状态是停留在正对磁体边界位置。

当通过从外部环境中获取的机械能驱动第一承载板相对于第二承载板转动时，由于磁体产生的磁场对磁致伸缩体作用，使得磁致伸缩体需要保持处于正对磁体边界的位置不变，也即是和磁体之间相对位置保持不变，而磁体所在的第二承载板相对于第一承载板之间的相对转动，那么磁致伸缩体就会产生跟随磁体运动的趋势，就导致磁体伸缩体和环形线圈的内环壁之间产生一个挤压的作用，该挤压作用力的方向和磁体相对于磁致伸缩体运动的方向相同，直到随着各个磁体的转动，磁致伸缩体正对下一个磁体的边界位置。当磁致伸缩体受到环形线圈内环壁的挤压作用时，这时磁致伸缩体是处于磁体的磁场中，磁致伸缩体会产生压磁效应，使得环形线圈内产生压磁电流，从而将第一承载板和第二承载板相对转动的动能转化为电能。

另外，由于磁体相对于环形线圈转动时，会导致环形线圈的磁通量发生变化，那么环形线圈中就会产生感应电流。因此本发明中，所产生的电流是压磁电流和感应电流的总和，具有更高的电流输出功率。

相对于现有技术中的压电陶瓷采集器，本发明中通过两种不同的方式将环境中的机械能转化为电能，对能量的利用率更高，与此同时还具有更高的输出功率，并且相对于压电陶瓷材料而言，磁致伸缩材料对能量的转化率更高，因此，利用本发明中的磁致伸缩能量采集器，能够输出更高的电功率，提高了能量采集器的能量转化效率，满足了为无线传感器供电的要求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磁致伸缩体的分布结构示意图；

图3为本发明实施例提供的磁体的分布结构示意图；

图4为本发明实施例提供的磁致伸缩体和磁体相对分布的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供磁致伸缩体和磁体相对分布的结构示意图；

附图中，1为第一承载板、11为环形线圈、12为磁致伸缩体、2为第二承载板、21为磁体、211为第一磁体、212为第二磁体、22为隔磁板、23为隔磁块、24为圆柱形凸起部、3为轴承。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，图1为本发明中磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图，图2为本发明实施例提供的磁致伸缩体的分布结构示意图；图3为本发明实施例提供的磁体的分布结构示意图。该磁致伸缩能量采集器可以包括：

设置有多个凹槽的第一承载板1，且各个凹槽在第一承载板1上呈环形分布，每个凹槽内还固定有环形线圈11，该环形线圈11贴合凹槽内壁环绕设置，并且在环形线圈11的内环中还设置有磁致伸缩体12，并且凹槽分布所在环形上，各个凹槽均匀分布。

需要说明的是，本发明中的实施例均是以每个凹槽中均设置有一个环形线圈11，且每个环形线圈11中均设置有一个磁致伸缩体12进行说明的，但是在本发明中也并不排除只有部分凹槽中设置有环形线圈11以及只有部分环形线圈11中设置磁致伸缩体12的情况。但是在每个凹槽中均设置环形线圈11并在每个环形线圈11内环中均设置磁致伸缩体12是本发明的一种更优选的实施例。而在后续实施例中，为避免重复赘述，对凹槽、环形线圈11或者磁致伸缩体12任意一个部件的数量、分布方式以及分布位置的特征即代表这三个部件的数量分布方式以及分布位置的特征，在后续实施例中不再对这一点进行说明。

另外，还设置有和第一承载板1平行设置的第二承载板2。并且第二承载板2可相对于第一承载板1之间转动，且转动的旋转中心轴垂直于第二承载板2，可以理解的是，旋转中心轴同样垂直于第一承载板1。其次，该第二承载板2上还设置有多个呈环形分布的磁体21，且磁体21所在环形上，各个磁体21均匀分布。

需要说明的是，一般第一承载板1和第二承载板2之间可以直接贴合设置，但是考虑到磁致伸缩体12会被磁体21磁化，体积上会有一定的伸缩，因此第一承载板1和第二承载板2之间的贴合无需贴合的过于紧密，甚至还可以有微小的间隙，以容纳磁致伸缩体12的体积伸缩。

并且，各个磁体21和各个凹槽到旋转中心轴之间的距离相等。也即是说磁体21分布所在的环形和环形线圈11分布所在的环形共轴设置且半径相等。因为磁体21产生的磁场的磁场线在靠近磁体21中心点处时，为近似直线走向的磁场线，而边缘处的磁场线则更倾向于弯曲的磁场线，因此，在没有其他外力的作用下，磁致伸缩体12最稳定的状态是处于磁体21的边缘处，以便磁场线穿过磁致伸缩体12的路径最短。

当磁致伸缩能量采集器获取环境中的能量，驱动第二承载板2相对于第一承载板1转动或驱动第一承载板1相对与第二承载板2转动时，由于磁致伸缩体12要保持正对着磁体21的边界位置的稳定状态，当磁体21跟随第二承载板2相对于第一承载板1相对转动时，磁致伸缩体12也会产生跟随磁体21转动的运动趋势，因此，就会和环形线圈11的内环之间产生挤压，由于磁致伸缩材料本身具有压磁效应，挤压力作用下磁致伸缩体12内磁化强度将发生改变，使得磁致伸缩体12产生压磁效应，进而在环形线圈11中产生压磁电流，直到磁致伸缩体12正对着下一个磁体21的边界处。与此同时，环形线圈11和磁致伸缩体12之间的相对位置是固定不动的，当磁体21相对于环形线圈11转动时，环形线圈11正对由一个磁体21边界位置变为另一个磁体21边界时，环形线圈11中的磁通量也必然发生变化，因此环形线圈11中会产生电磁感应。

而驱动第一承载板1相对于第二承载板2相对转动的驱动力即为从环境中获取的动力，例如，人的膝关节在走路时，会有一定角度的旋转运动，可以通过获取该旋转运动的能量，也可以通过获取如汽车车轮旋转的动能，还可以是获取环境中振动、挤压或其他形式的能量，转化为第一承载板1相对于第二承载板2转动的动能。

相对于现有技术中的压电陶瓷能量采集器而言，本发明中是基于磁致伸缩材料而设计的能量采集器，磁致伸缩材料具有机磁耦合系数大、负载能力强、能量密度高、转换效率高等优点。本发明中通过获取到的能量驱动磁致伸缩体12相对于第二磁体21转动，使磁致伸缩体12产生压磁效应从而获得电流，同时还通过环形线圈11内的磁通量变化产生电流，充分利用了第一承载板1和第二承载板2旋转的动能，使环形线圈11内获得压磁效应和电磁感应两种不同途径产生的电能，提高了能量采集器的能量转化率和电能的输出功率，使得本发明中的能量采集器能够适用于高负载的环境中。

并且本发明的能量采集器结构简单，易于安装，生产成本低，在输出相同功率的电能的前提下，具有更小的体积，更适应无线传感器和微机电系统对能量采集器小体积、便于集成化的要求。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：

磁体21为具有扇形横截面的磁体21，由于扇形的磁体21结构中心漏磁较少，易于磁致伸缩体12内均匀磁场的设计，该扇形横截面和第一承载板1所在的平面平行，且该扇形横截面的扇形弧线的圆心位于旋转中心轴上，在实际应用过程中为了减小能量采集器的体积，磁体21一般采用扇形板状结构的磁体21。对于设置有两个第一承载板1的能量采集器而言，该扇形板状的磁体21厚度一般是和第二承载板2的厚度相同。

进一步地，考虑到当凹槽的横截面相对于磁体21的横截面过小时，可能存在环形线圈11和磁致伸缩体12相对于磁体21运动时，滑过正对磁体21的位置时，如果磁体21横截面过大，那么环形线圈11和磁致伸缩体12在相对于磁体21滑动很大一段弧度之内，所处位置的磁通量均不发生变化，那么也就极大地减小了电流的输出功率。反之，如果凹槽的横截面远大于磁体21的横截面，那么，可能存在磁致伸缩体12和环形线圈11正对着第二承载上的位置分布有多个磁体21，当磁体21相对于磁致伸缩体12和环形线圈11转动时，几乎不发生压磁效应和电磁感应现象，因此，凹槽的尺寸应和磁体21的尺寸相配合。因此凹槽可以是具有圆形横截面的凹槽，凹槽的横截面面积和磁体21横截面面积的比例为0.65～0.75，一般而言面积比例设置在0.7左右即可，使得第一承载板1和第二承载板2即便有很小角度的相对转动，环形线圈11中也能够产生电流。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

磁体21的数量为偶数个，且相邻磁体21之间的充磁方向相反，且均和旋转中心轴平行。

当环形线圈11正对着一个磁体21的边界时，随着第一承载1相对于第二承载板2转动使，环形线圈11正对的磁体21边界由变为相邻地另一个磁体21的边界时，整个过程中，磁通量先逐渐减小为零，因为相邻两个磁体21的充磁方向相反，环形线圈11的磁通量再由零反向增大，相对相邻两个磁体21充磁方向相同的方案而言，本实施例地方案中，环形线圈11的磁通量变化更大，使环形线圈11中的感应电流也最大。因此，这是本发明中的一种优选的实施例。

进一步地，本实施例还可以进一步地包括：

相邻磁体21之间设置有隔磁块23，隔磁块23的形状大小和磁体21的形状大小相同。隔磁块23的主要作用是限定磁体21处于第二承载板2上特定的位置保持稳定固定，而为了防止相邻的磁体21之间的部件被磁化，所以采用具有不被磁化的特性的隔磁块23。具体地，可参考图4，图4为本发明实施例提供的磁致伸缩体和磁体相对分布的结构示意图。图4中磁体21包括充磁方向相反的第一磁体211和第二磁体212，第一磁体211和第二磁体212之间设置有隔磁块23，磁致伸缩体12的稳定状态是处于第一磁体211和第二磁体212与隔磁块23交界的位置。

需要说明的是，一般可以直接在第二承载板2上设置多个通孔，将磁体21设置在通孔内，而相邻的第二磁体212之间的隔磁块23即为第二承载板2的一部分，当然本发明中也并不排除隔磁块23和第二承载板2的本体为分体结构的实施方式。

对于不导磁的第二承载板2和隔磁块23可以采用铬镍钛合金制成，在实际应用过程中，第一承载板1往往也是采用具有不可磁化的不导磁材料制成，因此第一承载板1也可以是铬镍钛合金的不导磁承载板。

当然，如前所述，在相邻磁体21之间的充磁方向相反的基础上，也并不一定要在相邻磁体21之间设置隔磁块23。在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：相邻磁体21的侧边缘部位相互贴合设置，也即是多个磁体21依次贴合共同形成环状结构，而相邻磁体21的充磁方向相反。

如图5所示，图5为本发明另一实施例提供磁致伸缩体和磁体相对分布的结构示意图。图5中充磁方向相反的第一磁体211和第二磁体212交替设置，形成一个封闭的圆环。磁致伸缩体12较为稳定的状态是处于第一磁体211和第二磁体212的相贴合的交界处。

为了便于说明，以一个环形线圈11和对应的磁致伸缩体12为例进行说明，当环形线圈11和磁体21伸缩体由正对某一磁体21的中心位置向该磁体21和另一磁体21的边界位置移动时，假设该磁体21产生的磁场线大体竖直向上穿过环形线圈11，那么相邻磁体21产生的磁场线就大体竖直向下，当环形线圈11逐渐移动至两个磁体21边缘位置时，穿过环形线圈11的竖直向上的磁场线逐渐减小的同时，竖直向下的磁场线也同时在增加，相对于相邻磁体21之间设置有隔磁块23而言，只会存在竖直向上穿过环形线圈11的磁场线减少，而不会存在竖直向下的磁场线增加，因此本实施例中环形线圈11的磁通量的瞬时变化率更大，相应地，产生地感应电流也就更大。

另外，由于相邻磁体21之间的磁场线构成闭合磁场回路，相邻磁体21距离越近，边界处的磁场线弯曲程度越大，磁致伸缩体12向两个磁体21边界处运动的趋势就越明显，相应的，磁致伸缩体12和环形线圈11内壁之间的挤压力就越大，产生的压磁电流也就越大。

因此，相邻磁体21的侧边缘部位相互贴合设置，能够在很大程度上提高磁致伸缩能量采集器的发电功率，提高能量转换率。

基于上述实施例，为了进一步地提高磁致伸缩能量采集器的发电功率，可以使每个磁体21沿磁体21所分布的环形方向上的边界处均正对有环形线圈11和磁致伸缩体12。

因此，对于相邻磁体21之间设置有隔磁块23的实施例中，可以进一步地包括：第一承载板1上凹槽数量是第二承载板2上磁体21数量的两倍。

对于相邻磁体21侧边缘部位相互贴合设置的实施例中，可以进一步地包括：第一承载板1上凹槽数量和第二承载板2上磁体21数量相等。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

第二承载板2靠近第一承载板1的表面还贴合固定有隔磁板22，磁体21设置于隔磁板22和第二承载板2之间，且隔磁板22靠近第二承载板2的表面的滑动摩擦系数不大于预设摩擦系数。

考虑到当磁致伸缩体12受到磁体21的吸引力时，会完全的贴合在磁体21的表面相对于磁体21转动时，可能会由于磁致伸缩体12和磁体21之间的摩擦力而消耗部分的机械能，导致对能量的转化率过低的问题。因此可在第二承载板2上覆盖一层隔磁板22，隔磁板22的厚度为2mm-4mm即可，为了尽量减小磁致伸缩体12和隔磁板22之间的摩擦力，可以对隔磁板22的表面进行抛光处理或者在隔磁板22的表面涂抹油膜层，起到润滑的作用，使得该表面的滑动摩擦系数不超过0.2，减小由于摩擦而损失的机械能，从而降低整个能量采集器的能量损耗。

基于上述任意实施例，在本发明的另一实施例中还可以进一步包括：

第二承载板2上设置有圆柱形凸起部24，且圆柱形凸起部24的中心轴线和旋转中心轴重合，所述圆柱形凸起部24贯穿所述第一承载板1的厚度并和所述第一承载板1通过轴承3相连接。

该圆形凸起部和第二承载板2的本体为一体结构，通过第二承载板2的一部分和第一承载板1相连接，简化整个能量采集器的部件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的磁致伸缩能量采集器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁致伸缩能量采集器，其特征在于，包括：

设置有凹槽的第一承载板；沿所述凹槽内壁固定的环形线圈；设置在所述环形线圈的内环的磁致伸缩体；和所述第一承载板平行设置的第二承载板，在所述第二承载板上呈环形分布的多个磁体；

其中，所述第一承载体可相对于第二承载体绕旋转中心轴转动，且所述旋转中心轴和所述第一承载板垂直，多个所述凹槽呈环形分布，所述凹槽所在环形上相邻所述凹槽间距相等，所述磁体所在环形上相邻所述磁体间距相等，且多个所述凹槽和多个所述磁体到所述旋转中心轴的距离相等。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述磁体为具有扇形横截面的磁体，且所述扇形横截面的扇形弧线的圆心位于所述旋转中心轴上；

所述凹槽为具有圆形横截面的凹槽，所述凹槽的横截面面积和所述磁体横截面面积的比例为0.65～0.75。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述磁体的数量为偶数个，且相邻所述磁体之间的充磁方向相反，且充磁方向均和所述旋转中心轴平行。

4.根据权利要求3所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，相邻所述磁体之间设置有隔磁块，所述隔磁块的形状大小和所述磁体的形状大小相同。

5.根据权利要求4所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述第一承载板上所述凹槽数量是所述第二承载板上所述磁体数量的两倍。

6.根据权利要求3所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，相邻所述磁体的侧边缘部位相互贴合设置。

7.根据权利要求6所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述第一承载板上所述凹槽数量和所述第二承载板上所述磁体数量相等。

8.根据权利要求1至7任一项所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述第二承载板靠近所述第一承载板的表面还贴合固定有隔磁板，所述磁体设置于所述隔磁板和所述第二承载板之间，且所述隔磁板靠近第二承载板的表面的滑动摩擦系数不大于预设摩擦系数。

9.根据权利要求8所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述隔磁板的厚度为1mm-2mm，且所述隔磁板和所述第一承载板之间设置有0.4mm-0.6mm的间隙。

10.根据权利要求8所述的磁致伸缩能量采集器，其特征在于，所述第二承载板上设置有圆柱形凸起部，且所述圆柱形凸起部的中心轴线和所述旋转中心轴重合，所述圆柱形凸起部贯穿所述第一承载板的厚度并和所述第一承载板通过轴承相连接。