CN108631537A - 自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置 - Google Patents

自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置 Download PDF

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Abstract

一种自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，悬臂梁截面呈矩形，悬臂梁的尾部有配重，在配重上安装固定两个悬臂梁磁轭；靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，感应线圈两引出端接能量收集电路。本发明能量转换效率较高、振动阻尼较小。

Description

自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置
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、振动阻尼较小的自由端磁路调节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：
一种自由端磁路调节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，从安装位置看，悬臂梁截面呈矩形，所述矩形宽度大于厚度，所述悬臂梁的尾部有配重，在所述配重上安装固定两个悬臂梁磁轭，所述悬臂梁磁轭为软磁材料制成，悬臂梁磁轭与配重的一侧端面贴合；
靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间间隔气隙；
所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体，所述永磁体的两端分别为永磁体的N极和S极，永磁体的N极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触；
所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁体磁轭上方线圈与右永磁体磁轭上方线圈的异名端作为两引出端接能量收集电路。
进一步，从安装位置上看，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭与永磁体固定端上矩形盲孔底部接触面一侧各有一个矩形槽。
再进一步，上方的线圈支架顶端和下方的线圈支架顶端均为斜面，使得当悬臂梁向上振动时，悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭与上方的线圈支架顶端之间的距离显著较小；当悬臂梁向下振动时，悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭与下方的线圈支架顶端之间的距离显著较小。
更进一步，在永磁体固定端上矩形盲孔内通过螺钉紧定的方式，左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，螺钉为非磁性材料制成，在永磁体固定端、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭上有相应的孔和螺孔。
所述配重的上部和下部各有一个扁矩形通孔，在悬臂梁配重部分的两个扁矩形通孔内安装两个悬臂梁磁轭。
所述永磁体为呈长方体形状。
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。装置中的磁路有两条：第一条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，上方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S极；第二条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，下方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S 极。上述两条磁路均各有两个气隙存在，并且此时气隙宽度较大，由于磁路中磁阻几乎完全来自气隙，因此磁路中磁阻很大，磁路中的磁感应强度相应很低，可以认为此时闭合磁路呈断开状态。
第二，当悬臂梁向上振动弯曲，此时上述第一条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，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。而上述第二条磁路中两处气隙宽度相对第一种情况进一步扩张，闭合磁路仍然断开，并且磁阻进一步增大，磁路中的磁感应强度进一步降低。
第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上述第二条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，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。而上述第一条磁路中两处气隙宽度相对第一种情况进一步扩张，闭合磁路仍然断开，并且磁阻进一步增大，磁路中的磁感应强度进一步降低。
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，利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，实现闭合磁路的通断，进而产生磁感应强度和线圈磁链的剧烈变化，产生的电动势将比较高，也提高了能量转换效率；第二，装置中闭合磁路位置上接近于悬臂梁的自由端，磁力力臂较长，力矩较大，不失一般性地假设装置向上起振，悬臂梁略向上偏移平衡位置，造成原本上下平衡的磁吸引力，变为向上的磁吸引力急剧上升，而向下的磁吸引力迅速下降，因此磁力的综合效果使得悬臂梁向上振动的更为激烈，相当有利于装置起振。
附图说明
图1是自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置的装配图。
图2为悬臂梁固定端、悬臂梁和悬臂梁磁轭装配图.
图3为永磁体、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭装配俯视图。
图4为永磁体、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭装配仰视图。
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4，一种自由端磁路调节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，作为整个悬臂梁的安装位，为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。
进一步，一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端的是悬臂梁2，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。从安装位置看，配重的上部和下部各有一个扁矩形通孔。
进一步，在悬臂梁配重部分的两个扁矩形通孔内安装两个悬臂梁磁轭3，见图1和图2，悬臂梁磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。悬臂梁磁轭通过与配重的悬臂梁固定端一侧端面贴合，以及螺钉紧定于悬臂梁配重。螺钉为非磁性材料制成，在悬臂梁配重、悬臂梁磁轭上有相应的孔和螺孔。
进一步，靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端4，见图1，为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。永磁体固定端上有一较浅的矩形盲孔。
进一步，在永磁体固定端上矩形盲孔内通过螺钉紧定的方式，左右对称地安装固定左永磁体磁轭5和右永磁体磁轭6，见图1、图3 和图4，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。螺钉为非磁性材料制成，在永磁体固定端、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭上有相应的孔和螺孔。左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有较大空隙。从安装位置上看，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭与永磁体固定端上矩形盲孔底部接触面一侧各有一个矩形槽。左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架。上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间仅隔一定宽度的气隙。上方的线圈支架顶端和下方的线圈支架顶端均为斜面，使得当悬臂梁向上振动时，悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭与上方的线圈支架顶端之间的距离显著较小；当悬臂梁向下振动时，悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭与下方的线圈支架顶端之间的距离显著较小。
进一步，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭的矩形槽内安装了永磁体 7，见图1、图3和图4，为永磁材料成的，并要求有较好的刚性。永磁体为呈长方体形状，两端分别为永磁体的N极和S极。永磁体的N 极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触。
进一步，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个漆包铜线圈8，见图1。安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁体磁轭上方线圈与右永磁体磁轭上方线圈的异名端作为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。
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。装置中的磁路有两条：第一条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，上方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S极；第二条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，下方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S 极。上述两条磁路均各有两个气隙存在，并且此时气隙宽度较大，由于磁路中磁阻几乎完全来自气隙，因此磁路中磁阻很大，磁路中的磁感应强度相应很低，可以认为此时闭合磁路呈断开状态。
第二，当悬臂梁向上振动弯曲，此时上述第一条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，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。而上述第二条磁路中两处气隙宽度相对第一种情况进一步扩张，闭合磁路仍然断开，并且磁阻进一步增大，磁路中的磁感应强度进一步降低。
第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上述第二条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，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。而上述第一条磁路中两处气隙宽度相对第一种情况进一步扩张，闭合磁路仍然断开，并且磁阻进一步增大，磁路中的磁感应强度进一步降低。
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。
本实施例的方案利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，实现闭合磁路的通断，进而产生磁感应强度和线圈磁链的剧烈变化，产生的电动势将比较高，也提高了能量转换效率；装置中闭合磁路位置上接近于悬臂梁的自由端，磁力力臂较长，力矩较大，不失一般性地假设装置向上起振，悬臂梁略向上偏移平衡位置，造成原本上下平衡的磁吸引力，变为向上的磁吸引力急剧上升，而向下的磁吸引力迅速下降。

Claims (6)

1.一种自由端磁路调节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，从安装位置看，悬臂梁截面呈矩形，所述矩形宽度大于厚度，所述悬臂梁的尾部有配重，其特征在于：在所述配重上安装固定两个悬臂梁磁轭，所述悬臂梁磁轭为软磁材料制成，悬臂梁磁轭与配重的一侧端面贴合；
靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间间隔气隙；
所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体，所述永磁体的两端分别为永磁体的N极和S极，永磁体的N极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触；
所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁体磁轭上方线圈与右永磁体磁轭上方线圈的异名端作为两引出端接能量收集电路。
2.如权利要求1所述的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：从安装位置上看，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭与永磁体固定端上矩形盲孔底部接触面一侧各有一个矩形槽。
3.如权利要求1或2所述的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：上方的线圈支架顶端和下方的线圈支架顶端均为斜面，使得当悬臂梁向上振动时，悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭与上方的线圈支架顶端之间的距离显著较小；当悬臂梁向下振动时，悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭与下方的线圈支架顶端之间的距离显著较小。
4.如权利要求1或2所述的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：在永磁体固定端上矩形盲孔内通过螺钉紧定的方式，左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，螺钉为非磁性材料制成，在永磁体固定端、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭上有相应的孔和螺孔。
5.如权利要求1或2所述的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述配重的上部和下部各有一个扁矩形通孔，在悬臂梁配重部分的两个扁矩形通孔内安装两个悬臂梁磁轭。
6.如权利要求1或2所述的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述永磁体为呈长方体形状。
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