CN108347196A - 一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统，连接轴转动连接在底座上，顶端与风杯固定连接，若干固定基座沿着安装环的圆周方向均匀固定连接在安装环的内壁上，金属基板固定于固定基座上，质量块穿设于金属基板上，并将金属基板分为连接区和击打区，在金属基板中连接区的两端面上分别固定一块压电材料块，在质量块的两端面上分别固定一磁电复合材料块，击打块固定连接轴上，两个永磁体异磁极相对布置并组成一个永磁单元，若干个永磁单元均布在击打块的外圆周壁上，且相邻两永磁单元之间同磁极相对布置。本发明不仅可以从磁场中采集能量，还可以从机械振动中采集能量，实现多能量转换。

Description

一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统

技术领域：

本发明涉及一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统。

背景技术：

能源问题一直是备受世界关注的重点问题之一，在能源缺乏的今天，如何利用可再生能源就显得尤为重要。近年来，无线传感网络、微机系统等电子设备的应用发展迅速，已普遍应用于医疗、军事、日常生活 等各个领域，而如何选择合适的供电方式给这些系统提供源源不断的能量，使其摆脱传统的供电寿命有限问题成为阻碍其发展的一个重大障碍。

振动能量是环境中普遍存在的能量之一，可谓取之不尽用之不竭。因而如何设计振动能量采集装置，实现高效采集环境振动能量就成为国内外相关人士关注的焦点。

压电材料的选择是压电能量采集装置的核心部分选择不同的压电材料，对其能量采集的效率影响很大，本专利通过对磁致伸缩材料和压电纤维复合材料这两种材料的层合设计，得到磁致伸缩/压电纤维复合材料，作为能量感知和转换器件，加上外围电路的优化设计，增强能量转化效率，获得较大的电源输出。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统。

本发明所采用的技术方案有：一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统，包括磁致伸缩材料块和压电材料块，两磁致伸缩材料块分别粘接在压电材料块的两端面上并形成磁电复合材料块，还包括固定基座、金属基板、质量块、风杯、连接轴、击打块、永磁体、底座和安装环，所述安装环设置在底座上，连接轴的底端通过轴承转动连接在底座上，顶端与风杯固定连接，若干固定基座沿着安装环的圆周方向均匀固定连接在安装环的内壁上，金属基板固定于固定基座上，且金属基板沿着安装环的径向方向布置，质量块穿设于金属基板上，并将金属基板分为连接区和击打区，在金属基板中连接区的两端面上分别固定一块压电材料块，在质量块的两端面上分别固定一磁电复合材料块，击打块固定连接轴上，两个永磁体异磁极相对布置并组成一个永磁单元，若干个永磁单元均布在击打块的外圆周壁上，且相邻两永磁单元之间同磁极相对布置；连接轴带动击打块旋转，击打块击打金属基板上的击打区，并使得金属基板上的压电材料块产生压电区电压，击打块旋转并使得永磁体产生交流磁场，交流磁场使得磁电复合材料块产生磁电区电压。

进一步地，所述击打块包括一圆柱形本体，在本体的轴心方向设有轴孔；在本体的外圆周壁上均布有若干安装板，相邻两安装板之间形成有安装腔，每个永磁单元对应置于一安装腔内，且永磁单元中的永磁体固定于安装板上。

进一步地，所述安装板上设有矩形限位槽，永磁体通过胶水粘接于矩形限位槽内。

进一步地，所述连接轴的顶端设有安装架，若干个风杯均匀固定于安装架的圆周方向上。

进一步地，所述质量块通过胶水固定于金属基板上。

进一步地，所述质量块和击打块均采用金属材料制成。

进一步地，所述磁致伸缩材料块和压电材料块均为矩形状结构。

进一步地，所述磁电复合材料块与金属基板上的压电材料块相垂直。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明不仅可以从磁场中采集能量，还可以从机械振动中采集能量，实现多能量转换；

2）能量转换元件采用磁致伸缩/压电复合材料，提高能量转化效率，尽可能达到最大电能输出；

3）交变磁场选用旋转永磁体实现，降低整个系统复杂度。

附图说明：

图1为本发明中磁电复合材料结构示意图。

图2为本发明中磁电复合材料块与压电材料块在金属基板上的结构图。

图3为本发明中风杯在连接轴上的结构图。

图4为本发明中交变磁场设计结构示意图。

图5为本发明中击打块的结构图。

图6为本发明能量采集系统的结构图。

图7为本发明的能量采集系统设计框图。

图8为本发明的能量采集电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图6，本发明一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统，包括磁致伸缩材料块11和压电材料块12，磁致伸缩材料块11和压电材料块12均为矩形状结构。两磁致伸缩材料块11分别粘接在压电材料块12的两端面上并形成磁电复合材料块1。磁致伸缩材料块11与压电材料块12形成磁电复合材料块1的结构形式为现有技术的常规手段，故本发明不再对其具体原理以及结构组成作赘述。

本发明还包括固定基座21、金属基板22、质量块23、风杯31、连接轴32、击打块33、永磁体34、底座41和安装环42，安装环42固定连接在底座41上，连接轴32的底端通过轴承51转动连接在底座41上，顶端与风杯31固定连接，若干固定基座21沿着安装环42的圆周方向均匀固定连接在安装环42的内壁上。金属基板22固定于固定基座21上，且金属基板22沿着安装环42的径向方向布置，质量块23穿设于金属基板22上，并将金属基板22分为连接区A和击打区B。在金属基板中连接区A的两端面上分别固定一块压电材料块12，在质量块23的两端面上分别固定一磁电复合材料块1。磁电复合材料块1与金属基板22上的压电材料块12相垂直。击打块33固定连接轴32上，两个永磁体34异磁极相对布置并组成一个永磁单元30，若干个永磁单元30均布在击打块33的外圆周壁上，且相邻两永磁单元30之间同磁极相对布置。

连接轴32带动击打块33旋转，击打块33击打金属基板22上的击打区B，并使得金属基板22上的压电材料块12产生压电区电压，击打块33旋转并使得永磁体34产生交流磁场，交流磁场使得磁电复合材料块1产生磁电区电压。

本发明中的击打块33包括一圆柱形本体331，在本体331的轴心方向设有轴孔。在本体331的外圆周壁上均布有若干安装板332，相邻两安装板332之间形成有安装腔330，每个永磁单元30对应置于一安装腔330内，且永磁单元30中的永磁体34固定于安装板332上。

为便于更好地对永磁体34进行定位安装，在安装板332上设有矩形限位槽335，永磁体34通过胶水粘接于矩形限位槽335内。

为便于安装风杯31，在连接轴32的顶端设有安装架35，若干个风杯31均匀固定于安装架35的圆周方向上。

本发明中的质量块23通过胶水固定于金属基板22上。质量块23和击打块33均采用金属材料制成。

结合7和图8，使用时，在金属基板22上的压电材料块12以及磁电复合材料块1中的压电材料块12上均连接导线，导线连接能量采集电路。连接轴32带动击打块33旋转，击打块33击打金属基板22上的击打区B，并使得金属基板22上的压电材料块12产生压电区电压，击打块33旋转并使得永磁体34产生交流磁场，交流磁场使得磁电复合材料块1产生磁电区电压。

能量采集电路是对能量收集装置的输出能量做进一步处理，主要包括能量采集与转化、升压稳压和能量存储。

能量采集与转化模块主要通过磁电复合材料块1和金属基板22上的压电材料块12实现。该模块采用压电材料和磁电复合材料作为能量转换器件，分别将机械能和磁场能转换为电能，其中压电振子的结构形式采用加质量块的悬臂梁式结构，提高能量转化效率，谐振频率低，更容易在低频环境下实现谐振，采集到更多的振动能量。

升压稳压模块是对能量收集装置的输出电压做进一步处理，该模块包括整流、滤波以及升压稳压电路。整流电路采用桥式整流法，将转化后的交流电变为直流电，以实现向用电设备供电和向蓄电池充电；同时，采用该方法也限制蓄电池电流倒流，保护发电机不被逆电流烧坏。滤波电路利用电容滤波，滤波电容的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载上的交流成分越小，滤波效果就越好。升压稳压电路采用TPS61200芯片作为关键元件，该款芯片的工作电压极低，在任何负载下均可实现0.5V超低启动电压，其工作效率更超过90%。稳压电路采用三端稳压器，其体积小,可靠性高,而且使用灵活,价格低廉。

储能电路采用锂电池，由于锂电池具有无记忆效应、重量轻、寿命长、储能效率高、响应快速、可快速充电等优点，可用做存储能量的介质。通过引入升压稳压模块后，除了提升输入电压外，也起到了加强电压稳定性的作用，这样，系统就能连续地自动补充其能量消耗，从而延长系统的工作寿命。

上述能量的采集与转化、升压稳压和能量存储以及能量采集电路均为现有技术中的公知技术，本发明自作大致介绍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统，包括磁致伸缩材料块（11）和压电材料块（12），两磁致伸缩材料块（11）分别粘接在压电材料块（12）的两端面上并形成磁电复合材料块（1），其特征在于： 还包括固定基座（21）、金属基板（22）、质量块（23）、风杯（31）、连接轴（32）、击打块（33）、永磁体（34）、底座（41）和安装环（42），所述安装环（42）设置在底座（41）上，连接轴（32）的底端通过轴承转动连接在底座（41）上，顶端与风杯（31）固定连接，若干固定基座（21）沿着安装环（42）的圆周方向均匀固定连接在安装环（42）的内壁上，金属基板（22）固定于固定基座（21）上，且金属基板（22）沿着安装环（42）的径向方向布置，质量块（23）穿设于金属基板（22）上，并将金属基板（22）分为连接区（A）和击打区（B），在金属基板中连接区（A）的两端面上分别固定一块压电材料块（12），在质量块（23）的两端面上分别固定一磁电复合材料块（1），击打块（33）固定连接轴（32）上，两个永磁体（34）异磁极相对布置并组成一个永磁单元（30），若干个永磁单元（30）均布在击打块（33）的外圆周壁上，且相邻两永磁单元之间同磁极相对布置；连接轴（32）带动击打块（33）旋转，击打块（33）击打金属基板（22）上的击打区（B），并使得金属基板（22）上的压电材料块（12）产生压电区电压，击打块（33）旋转并使得永磁体（34）产生交流磁场，交流磁场使得磁电复合材料块（1）产生磁电区电压。

2.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述击打块（33）包括一圆柱形本体（331），在本体（331）的轴心方向设有轴孔；在本体（331）的外圆周壁上均布有若干安装板（332），相邻两安装板（332）之间形成有安装腔（330），每个永磁单元（30）对应置于一安装腔（330）内，且永磁单元（30）中的永磁体（34）固定于安装板（332）上。

3.如权利要求2所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述安装板（332）上设有矩形限位槽（335），永磁体（34）通过胶水粘接于矩形限位槽（335）内。

4.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述连接轴（32）的顶端设有安装架（35），若干个风杯（31）均匀固定于安装架（35）的圆周方向上。

5.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述质量块（23）通过胶水固定于金属基板（22）上。

6.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述质量块（23）和击打块（33）均采用金属材料制成。

7.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述磁致伸缩材料块（11）和压电材料块（12）均为矩形状结构。

8.如权利要求1所述的基于磁电复合材料的振动能量采集系统，其特征在于：所述磁电复合材料块（1）与金属基板（22）上的压电材料块（12）相垂直。