CN109586615B - 磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置 - Google Patents
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Abstract
磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，该装置包括Z形板（1）、磁致伸缩薄膜层（2）、不锈钢衬层（3）、拾取线圈（4）、条形磁铁（5）、拍板（8）和定位板（12）；本发明以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将瞬态低频振动过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程。
Description
技术领域
本发明属于磁致伸缩振动发电领域，特别涉及一种以薄膜状磁致伸缩材料做为核心元件，通过吸收从瞬态低频振动所转换成的高频振动能量而产生电能的磁致伸缩振动收集与发电装置。
背景技术
智能材料是智能材料系统中的关键，它是一种能通过系统调节材料自身各种功能、并对外界环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。智能材料通过与控制电路、接口电路、数据通信及电源系统的集成，可实现能量之间的转换，进而制作出各种传感功能和执行功能的智能器件。目前，智能材料主要有压电材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料等。
在自然界和实际生产生活中，存在丰富的持续或间歇性的振动，例如人体振动、交通工具行驶中的颠簸振动、以及桥梁振动等。利用功能材料可以汲取环境中的振动能量并产生电能。磁致伸缩材料具有较好的输出稳定性、可靠性高、磁致伸缩系数大、能量转换效率高。该材料具有机械能与电磁能间的双向可逆换能效应，其中磁致伸缩逆效应是该材料的重要物理效应之一，当受到外界力作用，材料将产生磁致伸缩逆效应，引起材料内部的磁化状态发生变化。因此，利用磁致伸缩材料具有的磁致伸缩逆效应特性，对周围环境中的振动进行收集，将振动机械能转化为变化的磁能；再结合线圈的法拉第电磁效应，便可以实现将振动机械能转换为电能的发电过程。
目前针对能量收集装置的研究，主要是应用压电材料来实现微型电路的能量供给。例如在2010年现代电力第27卷第3期发表的基于压电材料的振动能量收集实验研究提出了，将压电材料用于振动能量收集，用来进行储存。在2018年压电与声光第40卷第3期发表的风车型低频压电振动能量收集器研究中提出了，利用压电技术对振动能量进行收集，设计了压电式低频振动能量收集系统。但目前尚无低频瞬态振动转高频振动的发电装置。
发明内容
发明目的
本发明提供一种磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：该装置包括Z形板(1)、磁致伸缩薄膜层(2)、不锈钢衬层(3)、拾取线圈(4)、条形磁铁(5)、拍板(8)和定位板(12)；
Z形板(1)包括主横板(1-1)、自由端横板(1-2)和竖连接板(1-3)；竖连接板(1-3)连接主横板(1-1)和自由端横板(1-2)构成Z形结构；
不锈钢衬层(3)设置在主横板(1-1)上，磁致伸缩薄膜层(2)设置在不锈钢衬层(3)上，不锈钢衬层(3)、磁致伸缩薄膜层(2)和主横板(1-1)的左端对齐后均连接至定位板(12)，主横板(1-1)的右端连接竖连接板(1-3)，不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐且与设置在主横板(1-1)上的条形磁铁(5)靠紧；
不锈钢衬层(3)、主横板(1-1)和磁致伸缩薄膜层(2)形成悬臂梁结构，拾取线圈(4)缠绕在悬臂梁结构外部(缠绕在定位板(12)与条形磁铁(5)之间)；
拍板(8)套在双头螺柱(11)上，且能沿着双头螺柱(11)的轴向(如图2中上下)移动，拍板(8)的上方的双头螺柱(11)上套有上弹簧(7)，拍板(8)的下方的双头螺柱(11)上套有下弹簧(10)，拍板(8)由上弹簧(7)、下弹簧(10)支撑在双头螺柱(11)上；
Z形板(1)的自由端横板(1-2)设置在拍板(8)下方，当有振动作用在拍板(8)上时，拍板(8)的运动引起Z形板(1)产生振动，且Z形板(1)的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜层(2)上，磁致伸缩薄膜层(2)将做自由振荡摆动；磁致伸缩薄膜层(2)振动过程中产生的弯曲变形引起磁致伸缩薄膜层(2)内部的磁化状态发生变化，即磁通发生变化，磁通变化的作用将缠绕在悬臂梁外部的拾取线圈(4)中产生感应电压，感应电压则通过拾取线圈(4)传递到外界。
磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)均为长方形薄片状。
自由端横板(1-2)的截面为楔形。
不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的左端与Z形板(1)固定端对齐，不锈钢衬层(3)的右端与磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐。
条形磁铁(5)为矩形，条形磁铁(5)底面与Z形板(1)的上部接触，条形磁铁(5)左端面靠在磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)的右端面上。
定位板(12)为由立板和横底板构成的对称的T形板，在T形板的立板的上部对称轴位置开有矩形凹槽；悬臂梁的左端安装在T形板上的矩形凹槽内，悬臂梁的左端为固定端。
拍板(8)中心处开有圆形通孔；双头螺柱(11)穿过该圆形通孔。
双头螺柱(11)设置在外框(6)内，外框(6)为由上下两片平行的横板和一块立板构成的C形结构，立板连接两片平行的横板的一端，外框(6)的上部的横板中心处开有圆形螺纹通孔，外框(6)的下部的横板处中心开有螺纹孔，双头螺柱(11)的上下两端带有外螺纹；双头螺柱(11)的上端伸进外框(6)的上部的横板中心处的圆形螺纹通孔内与该通孔螺纹配合，双头螺柱(11)的下端伸进外框(6)的下部的横板中心处的螺纹孔内并与该螺纹孔螺纹配合。
拍板(8)包括板柱(8-1)和板面(a)，板面(a)设置在板柱(8-1)上。
优点效果：
针对现有的低频转高频式压电振动发电装置和磁致伸缩振动发电装置的不足，本发明提供一种以薄膜状磁致伸缩材料为核心元件，通过两个弹簧支撑的拍板将瞬态低频振动转换成高频振动，用条形磁铁为磁致伸缩薄膜提供预磁化磁场，用拾取线圈拾取电能的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置。该装置结构简单，能够从低频振动中获取高频振动，达到高效振动收集与发电的目的。
该装置包括Z形板、磁致伸缩薄膜层和不锈钢衬层构成L型悬臂梁，拾取线圈缠绕在L型悬臂梁外部。L型悬臂梁左端为固定端，固定在T形板上，右端为自由端，靠近自由端附着条形磁铁。L型悬臂梁的自由端在拍板下方，拍板由上弹簧、下弹簧支撑在双头螺柱上。外框与双头螺柱固定。
磁致伸缩薄膜层和不锈钢衬层均为长方形薄片状；Z形板为轴对称结构，右端为楔形；T形板的上部开有矩形凹槽；不锈钢衬层和磁致伸缩薄膜层自下而上依次安装在Z形板的上部，不锈钢衬层和磁致伸缩薄膜层的左端与Z形板固定端对齐，不锈钢衬层的右端与磁致伸缩薄膜层的右端对齐，不锈钢衬层、磁致伸缩薄膜层、Z形板构成L型悬臂梁；L型悬臂梁的左端安装在T形板上的矩形凹槽内。
拾取线圈缠绕在L型悬臂梁的外部。
条形磁铁为长方体结构；条形磁铁安装在Z形板的上部，其左端面靠在磁致伸缩薄膜层和不锈钢衬层的右端面上。
拍板为轴对称结构，在其中心处开有圆形通孔；双头螺柱的上下两端带有外螺纹；外框为U字形结构，外框上部中心处开有圆形通孔，外框下部中心处开有螺纹孔；双头螺柱穿过外框上部的通孔，螺母、上弹簧、拍板、下弹簧依次套在双头螺柱上，双头螺柱下端固定在外框下部的螺纹孔中，螺母将双头螺柱上部与外框固定锁紧。
拍板上的a面与Z形板自由端的上楔形面接触。
优点及效果
本发明是一种磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，具有如下优点和有益效果：
本发明以薄膜状磁致伸缩材料为核心元件，用一块条形磁铁为磁致伸缩薄膜提供预磁化磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了从瞬态低频振动所转换成的高频振动能量而产生电能输出的能量收集过程。与基于压电材料的发电装置相比，该装置不存在老化问题，工作性能更可靠，磁机转换效率高，有利于器件小型化、轻量化，在较小振幅条件下可输出更高电压。瞬态低频振动增大了的磁致伸缩薄膜振幅，因而能够产生更高的电压。该装置结构简单、发电能力强、应用前景更广泛。
综上，本发明用一块条形磁铁为磁致伸缩薄膜提供预化磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将瞬态低频振动过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程
附图说明
图1为磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置安装示意图。
图2为图1装配图的正视图。
图3为磁致伸缩薄膜层示意图。
图4为不锈钢衬层示意图。
图5为Z形板示意图。
图6为L型悬臂梁示意图。
图7为定位板示意图。其中7-1为侧视截面示意图，7-2为7-1的侧视图，7-3为7-1的俯视图。
图8为条形磁铁示意图。
图9为拍板示意图。其中9-1为截面示意图，9-2为9-1的俯视图。
图10为双头螺柱示意图。10-1为侧面示意图，10-2为10-1的俯视图。
图11为外框示意图。11-1为侧视截面图，11-2为11-1的侧视图，11-3为11-1的俯视图。
附图标记说明：
1-Z形板，2-磁致伸缩薄膜层，3-不锈钢衬层，4-拾取线圈，5-条形磁铁，6-外框，7-上弹簧，8-拍板，9-螺母，10-下弹簧，11-双头螺柱，12-定位板。
具体实施方式
磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：该装置包括Z形板(1)、磁致伸缩薄膜层(2)、不锈钢衬层(3)、拾取线圈(4)、条形磁铁(5)、拍板(8)和定位板(12)；
Z形板(1)包括主横板(1-1)、自由端横板(1-2)和竖连接板(1-3)；竖连接板(1-3)连接主横板(1-1)和自由端横板(1-2)构成Z形结构；
不锈钢衬层(3)设置在主横板(1-1)上，磁致伸缩薄膜层(2)设置在不锈钢衬层(3)上，不锈钢衬层(3)、磁致伸缩薄膜层(2)和主横板(1-1)的左端对齐后均连接至定位板(12)，主横板(1-1)的右端连接竖连接板(1-3)，不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐且与设置在主横板(1-1)上的条形磁铁(5)靠紧；
不锈钢衬层(3)、主横板(1-1)和磁致伸缩薄膜层(2)形成悬臂梁结构，拾取线圈(4)缠绕在悬臂梁结构外部(缠绕在定位板(12)与条形磁铁(5)之间)；
拍板(8)套在双头螺柱(11)上，且能沿着双头螺柱(11)的轴向(如图2中上下)移动，拍板(8)的上方的双头螺柱(11)上套有上弹簧(7)，拍板(8)的下方的双头螺柱(11)上套有下弹簧(10)，拍板(8)由上弹簧(7)、下弹簧(10)支撑在双头螺柱(11)上；
Z形板(1)的自由端横板(1-2)设置在拍板(8)下方，当有振动作用在拍板(8)上时，拍板(8)的运动引起Z形板(1)产生振动，且Z形板(1)的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜层(2)上，磁致伸缩薄膜层(2)将做自由振荡摆动；磁致伸缩薄膜层(2)振动过程中产生的弯曲变形引起磁致伸缩薄膜层(2)内部的磁化状态发生变化，即磁通发生变化，磁通变化的作用将缠绕在悬臂梁外部的拾取线圈(4)中产生感应电压，感应电压则通过拾取线圈(4)传递到外界。
磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)均为长方形薄片状。
自由端横板(1-2)的截面为楔形。
不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的左端与Z形板(1)固定端对齐，不锈钢衬层(3)的右端与磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐。
条形磁铁(5)为矩形，条形磁铁(5)底面与Z形板(1)的上部接触，条形磁铁(5)左端面靠在磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)的右端面上。
定位板(12)为由立板和横底板构成的对称的T形板，在T形板的立板的上部对称轴位置开有矩形凹槽；悬臂梁的左端安装在T形板上的矩形凹槽内，悬臂梁的左端为固定端。
拍板(8)中心处开有圆形通孔；双头螺柱(11)穿过该圆形通孔。
外框(6)为由上下两片平行的横板和一块立板构成的C形结构，立板连接两片平行的横板的一端，外框(6)的上部的横板中心处开有圆形螺纹通孔，外框(6)的下部的横板处中心开有螺纹孔，双头螺柱(11)的上下两端带有外螺纹；双头螺柱(11)的上端伸进外框(6)的上部的横板中心处的圆形螺纹通孔内与该通孔螺纹配合，双头螺柱(11)的下端伸进外框(6)的下部的横板中心处的螺纹孔内并与该螺纹孔螺纹配合。
拍板(8)包括板柱(8-1)和板面(a)，板面(a)设置在板柱(8-1)上。
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，以薄膜状磁致伸缩材料为核心元件，即磁致伸缩薄膜层(2)，采用拾取线圈将磁通变化转化为电压，实现了从瞬态低频振动所转换成的高频振动能量而产生电能输出的能量收集过程。磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置的工作原理是：根据磁致伸缩材料即磁致伸缩薄膜层(2)的磁致伸缩逆效应，当磁致伸缩薄膜层受到作用于表面的振动力的作用时，磁致伸缩薄膜层的尺寸形状将发生变化，进而导致磁致伸缩薄膜内部的磁化状态发生变化，即内部的磁通量发生变化，从而引起拾取线圈中发生法拉第电磁效应，使拾取线圈中产生电压；通过拍板与Z形板间的接触作用，将作用在拍板上的低频冲击振动转换为L型悬臂梁的高频自由振动；因此，实现了通过吸收从瞬态低频振动所转换成的高频振动能量而产生电能的发电过程。
图1为磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置安装示意图，图2为磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置正视图。工作时，条形磁铁(5)安装在Z形板1的上部，其左端面靠在磁致伸缩薄膜层2和不锈钢衬层3的右端面上，条形磁铁5为磁致伸缩薄膜层2提供预磁化磁场，使磁致伸缩薄膜层2的磁机耦合效率达到最佳，由Z形板1、磁致伸缩薄膜层2和不锈钢衬层3构成悬臂梁的自由端1-2在拍板8下方，拍板8由上弹簧7、下弹簧10支撑在双头螺柱11上；当有振动作用在拍板8上时，拍板8的运动引起Z形板1产生振动，且Z形板1的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜层2上，磁致伸缩薄膜层2将做自由振荡摆动；磁致伸缩薄膜层2振动过程中产生的弯曲变形引起磁致伸缩薄膜层2内部的磁化状态发生变化，即磁通发生变化，磁通变化的作用将缠绕在L型悬臂梁外部拾取线圈4中产生感应电压，感应电压则可通过拾取线圈4传递到外界。如图4所示，为了保证内部磁路均匀并增强磁致伸缩薄膜层2的强度，在磁致伸缩薄膜层2的下方使用不锈钢衬层3作为衬底。
如图3和图4所示，磁致伸缩薄膜层2和不锈钢衬层3均为长方形薄片状；如图5所示，Z形板1为轴对称结构，右端的自由端1-2为楔形；不锈钢衬层3和磁致伸缩薄膜层2自下而上依次安装在Z形板1的上部，不锈钢衬层3和磁致伸缩薄膜层2的左端与Z形板1固定端对齐，不锈钢衬层3的右端与磁致伸缩薄膜层2的右端对齐，不锈钢衬层3、磁致伸缩薄膜层2、L形1板构成L型悬臂梁，如图6所示，为L型悬臂梁示意图。拾取线圈4缠绕在L型悬臂梁外部。在图8中，条形磁铁5为矩形，条形磁铁5底面与Z形板1的上部接触，其左端面靠在磁致伸缩薄膜层2和不锈钢衬层3的右端面上。
如图7所示，定位板上12为对称结构，在定位板12的上部对称轴位置开有矩形凹槽；L型悬臂梁的左端安装在定位板12上的矩形凹槽内，L型悬臂梁的左端为固定端。
如图9所示，拍板8结构示意图，拍板8为轴对称结构，在其中心处开有圆形通孔；L型悬臂梁的楔形自由端在拍板8下方，拍板8由上弹簧7、下弹簧10支撑在双头螺柱11上。如图10和图11所示，双头螺柱11的上下两端带有外螺纹；外框6为C字形结构，外框6上部中心处开有圆形通孔，外框6下部中心处开有螺纹孔；双头螺柱11下端固定在外框6下部的螺纹孔中，螺母9将双头螺柱11上部与外框固定锁紧。
拍板8上的a面与Z形板1自由端的上楔形面接触。
本发明能够将瞬态低频振动转换为高频振动，可完成对振动能量收集的发电过程。
Claims (7)
1.磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：该装置包括Z形板(1)、磁致伸缩薄膜层(2)、不锈钢衬层(3)、拾取线圈(4)、条形磁铁(5)、拍板(8)和定位板(12)；
Z形板(1)包括主横板(1-1)、自由端横板(1-2)和竖连接板(1-3)；竖连接板(1-3)连接主横板(1-1)和自由端横板(1-2)构成Z形结构；
不锈钢衬层(3)设置在主横板(1-1)上，磁致伸缩薄膜层(2)设置在不锈钢衬层(3)上，不锈钢衬层(3)、磁致伸缩薄膜层(2)和主横板(1-1)的左端对齐后均连接至定位板(12)，主横板(1-1)的右端连接竖连接板(1-3)，不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐且与设置在主横板(1-1)上的条形磁铁(5)靠紧；
不锈钢衬层(3)、主横板(1-1)和磁致伸缩薄膜层(2)形成悬臂梁结构，拾取线圈(4)缠绕在悬臂梁结构外部；
拍板(8)套在双头螺柱(11)上，且能沿着双头螺柱(11)的轴向移动，拍板(8)的上方的双头螺柱(11)上套有上弹簧(7)，拍板(8)的下方的双头螺柱(11)上套有下弹簧(10)，拍板(8)由上弹簧(7)、下弹簧(10)支撑在双头螺柱(11)上；
Z形板(1)的自由端横板(1-2)设置在拍板(8)下方，当有振动作用在拍板(8)上时，拍板(8)的运动引起Z形板(1)产生振动，且Z形板(1)的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜层(2)上，磁致伸缩薄膜层(2)将做自由振荡摆动；磁致伸缩薄膜层(2)振动过程中产生的弯曲变形引起磁致伸缩薄膜层(2)内部的磁化状态发生变化，即磁通发生变化，磁通变化的作用将缠绕在悬臂梁外部的拾取线圈(4)中产生感应电压，感应电压则通过拾取线圈(4)传递到外界；
自由端横板(1-2)的截面为楔形；
不锈钢衬层(3)和磁致伸缩薄膜层(2)的左端与Z形板(1)固定端对齐，不锈钢衬层(3)的右端与磁致伸缩薄膜层(2)的右端对齐。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)均为长方形薄片状。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：条形磁铁(5)为矩形，条形磁铁(5)底面与Z形板(1)的上部接触，条形磁铁(5)左端面靠在磁致伸缩薄膜层(2)和不锈钢衬层(3)的右端面上。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：定位板(12)为由立板和横底板构成的对称的T形板，在T形板的立板的上部对称轴位置开有矩形凹槽；悬臂梁的左端安装在T形板上的矩形凹槽内，悬臂梁的左端为固定端。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：拍板(8)中心处开有圆形通孔；双头螺柱(11)穿过该圆形通孔。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：双头螺柱(11)设置在外框(6)内，外框(6)为由上下两片平行的横板和一块立板构成的C形结构，立板连接两片平行的横板的一端，外框(6)的上部的横板中心处开有圆形螺纹通孔，外框(6)的下部的横板处中心开有螺纹孔，双头螺柱(11)的上下两端带有外螺纹；双头螺柱(11)的上端伸进外框(6)的上部的横板中心处的圆形螺纹通孔内与该通孔螺纹配合，双头螺柱(11)的下端伸进外框(6)的下部的横板中心处的螺纹孔内并与该螺纹孔螺纹配合。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式低频转高频的振动收集与发电装置，其特征在于：拍板(8)包括板柱(8-1)和板面(a)，板面(a)设置在板柱(8-1)上。
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