CN109617451B - 一种两自由度多稳态msma振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，属于振动能量采集技术领域；该采集器包括基底、动态放大器、永磁体、外壳、硅钢体、磁控形状记忆合金(MSMA)、悬臂梁、固定挡板、后置顶杆、弹簧、多根固定杆和感应线圈等；在悬臂梁的末端设有两对相互排斥的磁铁，在多稳态振荡器与基础之间设有动态放大器，本发明结构稳定新颖，能量转换密度高，降低了振动能量采集器对环境振动强度的敏感依赖程度，较一般采集器有更宽的工作频带和机‑电转换效率，能够在微型机电系统中得到广泛的应用，同时利用磁控形状记忆合金材料特性将振动能量转换为幅值频率可变的交流电压，转换效果更好，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于振动能量采集技术领域，具体涉及是利用磁控形状记忆合金(MSMA)特性和动态放大器结构，设计一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器。
背景技术
现有的将振动能量转化为电能的采集器较少，传统的能量采集器一般被设计成线性系统，工作频带窄，谐振频率难以和环境振动频率完全匹配，致使能量采集与转换效率大大降低，不适合应用于实际中，只作为实验样机研究；且大部分能量采集器结构不稳定，使用方法繁琐，所转换的电量太微弱，以至于对于其应用范围有限和应用价值较小，实用性不佳。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，包括动态放大器(2)、采集装置、永磁体(A)、(B)、(C)和多根固定杆(7)；
所述采集装置包括悬臂梁(5)、外壳(13)、形状记忆合金(8)、固定挡板(6)、后置顶杆(9)、弹簧(10)、导向套、硅钢体(12)、感应线圈(11)、永磁体(14)，所述动态放大器(2)被固定于采集装置与基底(1)之间，所述外壳(13)设置有前挡板和后挡板，前后两挡板之间及两挡板与采集装置的底座之间都通过固定杆相连接；所述悬臂梁(5)一端固定于后挡板，另一端贴合一个永磁体(A)，在悬臂梁的末端设有另两个永磁体(B、C)，永磁体(A和B、A和C)两者之间磁极呈相互排斥放置；在悬臂梁(5)上设置有固定挡板(6)和后置顶杆(9)，形状记忆合金(8)在导向套中被固定于固定挡板(6)和后置顶杆(9)之间，通过悬臂梁(5)上下振动，固定挡板(6)和后置顶杆(9)可对形状记忆合金(8)施加挤压外力；所述的弹簧(10)放置于后置顶杆(9)上，弹簧(10)的前段与后置顶杆(9)接触，弹簧(10)的末端与外壳(13)的后挡板接触；所述的感应线圈(11)缠绕在硅钢体(12)上,所述的硅钢体(12)设置为两块E型形状，呈对称式固定于前后挡板(6)和(9)之间，上下两端放置有两个磁极方向相同的永磁体(14)，所述E型硅钢体(12)的中部为楔形，形状记忆合金(8)的左右由硅钢体(12)的楔形末端固定。
所述的形状记忆合金(8)采用磁控形状记忆合金MSMA。
一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、设定磁控形状记忆合金(8)的尺寸和磁感应强度阈值，根据所设定的尺寸和阈值，建立磁路三维模型，确定永磁铁(3)和硅钢体(12)的尺寸范围，根据所设计的结构尺寸，计算感应线圈(11)的匝数和线径；
步骤2、设定采集装置运行参数，根据所设定的采集装置运行参数进行电磁仿真，获得实际磁感应强度；
步骤3、设定悬臂梁(5)的长度和永磁体(A、B、C)之间的距离，根据建立的力学系统方程，判断永磁体之间合理的距离；
步骤4、判断获得的实际磁感应强度是否大于等于所设定的磁感应强度阈值，若是，执行步骤5，否则，返回执行步骤1，对采集器的各个尺寸进行重新设计；
步骤5、将当前设置的采集器永磁体的尺寸和永磁体之间的距离作为一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器永磁体的尺寸和距离，并进一步确定一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的全部零件尺寸；
步骤6、根据确定的全部零件尺寸，进行制造一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器。
所述的采集装置运行参数包括磁控形状记忆合金的相对磁导率、硅钢体相对磁导率、永磁体的相对磁导率、永磁体的矫顽力和空气相对磁导率
本发明的优点：
本发明提出一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，本发明结构稳定新颖，能量转换密度高，降低了能量采集器对环境振动强度的敏感依赖程度，较一般采集器有更宽的工作频带和机-电转换效率，能够在微型机电系统中得到广泛的应用，同时利用磁控形状记忆合金材料特性将振动能量转换为幅值频率可变的交流电压，转换效果更好，实用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例的一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器结构；
图2为本发明实施例的一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的正视图；
图3为本发明实施例的一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的局部剖视图；
图4为本发明实施例的一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的侧剖视图；
图5为本发明实施例的一种磁通密度矢量图；
图6为本发明实施例的一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的设计方法流程图；
其中，1基底，2动态放大器，3永磁体(B、C)，4永磁体(A)，5悬臂梁，6固定挡板，7固定杆，8磁控形状记忆合金，9后置顶杆，10弹簧，11感应线圈，12硅钢体，13外壳，14永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
本发明实施例中，如图1所示，一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，包括动态放大器(2)、采集装置、永磁体(A)、(B)、(C)和多根固定杆(7)；
所述采集装置包括悬臂梁(5)、外壳(13)、形状记忆合金(8)、固定挡板(6)、后置顶杆(9)、弹簧(10)、导向套、硅钢体(12)、感应线圈(11)、永磁体(14)，所述的动态放大器2连接基底1和上方的采集装置，基底1可以安装在振动装置上，所述的永磁体3(B、C)贴合于采集装置末端的基板上，永磁体4(A)和永磁体3(B、C)之间磁极放置为相互排斥；所述的永磁体A4在不振动时处于永磁体B、C的中心线上，悬臂梁5处于水平；所述的外壳13设置有前挡板和后挡板，两板平行相对设置，两板之间及两板与采集底座之间都通过固定杆7相连接；
本发明实施例中，如图1和图2所示，所述的悬臂梁5一端用固定杆7固定于后挡板架上，另一端贴合永磁体A4；
在悬臂梁的末端设有另两个永磁体B、C，永磁体A和B、A和C两者之间磁极呈相互排斥放置；在悬臂梁5上设置有固定挡板6和后置顶杆9，后置顶杆9的末端通过固定杆7固定到后挡板上，磁控形状记忆合金8在导向套中被固定于固定挡板6和后置顶杆9之间，在悬臂梁5上下振动时，固定挡板6和后置顶杆9可对磁控形状记忆合金8施加挤压外力；所述的弹簧10放置于后置顶杆9上，弹簧10的前段与后置顶杆9接触，末端与外壳的后挡板接触，施压保证后置顶杆9始终能顶住磁控形状记忆合金8；所述的硅钢体12设置为两块E型形状，呈对称式固定于前后挡板6之间，上下两端放置有两个磁极方向相同的永磁体14，所述E型硅钢体12的中部为楔形，磁控形状记忆合金8的左右由硅钢体12的楔形末端固定，永磁体14产生的磁场沿硅钢体12的方向聚集到磁控形状记忆合金8左右两侧，减少了漏磁；所述的感应线圈11缠绕在硅钢体12上。
本发明实施例中，所述的形状记忆合金采用磁控形状记忆合金(MSMA)，高应变能力和高推动力，而且响应速度快和高效率，能够完全恢复的形变量可达6-8％，比超磁致伸缩材料Terfenol-D变形率高出约50倍，是一种兼有感知和驱动功能的新型材料；与温控型形状记忆合金(SMA)相比，MSMA是近几年出现的一种新型功能材料，该材料在马氏体条件下外加磁场可以使其有较大的变形率，并具有形状记忆功能，力能密度大，响应频率高；
本发明实施例中，采用多根固定杆7将外壳13、硅钢体12、后置顶杆9、悬臂梁5、采集装置均进行固定，增强稳定性；
本发明实施例中，用于将振动能量转化成电能的两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的制作方法，方法流程图如图6所示，包括以下步骤：
步骤1、采用尺寸为5mm*5mm*20mm的磁控形状记忆合金，该合金在磁感应强度为0.5T以上的磁场中，其变化率较为显著，因此设定磁感应强度阈值为0.5T，以所设定的尺寸和阈值为约束条件，利用有限元分析软件ANSYS对磁场进行仿真，建立磁路三维模型，确定永磁体、硅钢体的尺寸并选定部分零件；
步骤2、设定采集装置运行参数，即ANSYS软件进行分析时的参数为：MSMA的相对磁导率为10(变化范围为2-65)；硅钢片的相对磁导率为104；永磁体的相对磁导率为1.7507；磁铁的矫顽力为1.5*105A/m；空气的相对磁导率为1；根据所设定的采集装置运行参数，获得磁通密度矢量图；
本发明实施例中，获得的磁通密度矢量图如图4所示；
步骤3、判断通过材料的磁感应强度是否高于0.5T，若是，执行步骤4，否则，返回执行步骤1，根据实际情况重新确定采集装置磁铁的尺寸和参数；
本发明实施例中，将实际材料进行磁场测量，获得的实际磁感应强度为0.594T，大于所设定的磁感应强度阈值，达到了材料所需要的磁通量，因此执行步骤4；
步骤4、设定悬臂梁的长度和永磁体(A、B、C)之间的距离，根据建立的力学方程和构成的“质量-弹簧-阻尼”系统的运动方程，判断永磁体之间合理的距离；
步骤5、将当前设置的采集装置永磁体的尺寸和永磁体之间的距离作为一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集装置永磁体的尺寸和距离，并进一步确定一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集装置的全部零件尺寸；
本发明实施例中，确定的全部零件尺寸为：磁控形状记忆合金的尺寸为5mm*5mm*20mm，导向套的尺寸为7mm*7mm*20mm；
步骤6、根据确定的全部零件尺寸，进行制造一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集装置；
本发明实施例中，一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集装置的使用方法为：将一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集装置放置在振动装置上，振动装置振动时，动态放大器放大振动幅度，悬臂梁首端的永磁体(A)上下振动，梁末端的固定挡板对磁控形状记忆合金(MSMA)施加挤压力，由于压力使MSMA材料产生形变，从而改变磁通量的变化，感应线圈的电流也随之改变，借助MSMA材料的维拉利效应，实现了获取幅值频率可变的交流感应电压的目的。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器，其特征在于：包括动态放大器(2)、采集装置、永磁体(A)、(B)、(C)和多根固定杆(7)；
所述采集装置包括悬臂梁(5)、外壳(13)、形状记忆合金(8)、固定挡板(6)、后置顶杆(9)、弹簧(10)、导向套、硅钢体(12)、感应线圈(11)、永磁体(14)，所述动态放大器(2)被固定于采集装置与基底(1)之间，所述外壳(13)设置有前挡板和后挡板，前后两挡板之间及两挡板与采集装置的底座之间都通过固定杆相连接；所述悬臂梁(5)一端固定于后挡板，另一端贴合一个永磁体(A)，在悬臂梁的末端设有另两个永磁体(B、C)，永磁体(A和B、A和C)两者之间磁极呈相互排斥放置；在悬臂梁(5)上设置有固定挡板(6)和后置顶杆(9)，形状记忆合金(8)在导向套中被固定于固定挡板(6)和后置顶杆(9)之间，通过悬臂梁(5)上下振动，固定挡板(6)和后置顶杆(9)可对形状记忆合金(8)施加挤压外力；所述的弹簧(10)放置于后置顶杆(9)上，弹簧(10)的前段与后置顶杆(9)接触，弹簧(10)的末端与外壳(13)的后挡板接触；所述的感应线圈(11)缠绕在硅钢体(12)上,所述的硅钢体(12)设置为两块E型形状，呈对称式固定于前后挡板(6)和(9)之间，上下两端放置有两个磁极方向相同的永磁体(14)，所述E型硅钢体(12)的中部为楔形，形状记忆合金(8)的左右由硅钢体(12)的楔形末端固定；
所述的形状记忆合金(8)采用磁控形状记忆合金MSMA；
一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、设定磁控形状记忆合金(8)的尺寸和磁感应强度阈值，根据所设定的尺寸和阈值，建立磁路三维模型，确定永磁铁(3)和硅钢体(12)的尺寸范围，根据所设计的结构尺寸，计算感应线圈(11)的匝数和线径；
步骤2、设定采集装置运行参数，根据所设定的采集装置运行参数进行电磁仿真，获得实际磁感应强度；
步骤3、设定悬臂梁(5)的长度和永磁体(A、B、C)之间的距离，根据建立的力学系统方程，判断永磁体之间合理的距离；
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步骤5、将当前设置的采集器永磁体的尺寸和永磁体之间的距离作为一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器永磁体的尺寸和距离，并进一步确定一种两自由度多稳态MSMA振动能量采集器的全部零件尺寸；
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所述的采集装置运行参数包括磁控形状记忆合金的相对磁导率、硅钢体相对磁导率、永磁体的相对磁导率、永磁体的矫顽力和空气相对磁导率；MSMA的相对磁导率为10，变化范围为2-65；硅钢片的相对磁导率为104；永磁体的相对磁导率为1.7507；磁铁的矫顽力为1.5*105A/m；空气的相对磁导率为1。
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Granted publication date: 20201106 Termination date: 20211227 |
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