CN109639088B - 一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁‑压电‑磁致伸缩复合式微能源能量采集器，包括端盖、固定圆柱磁铁、线圈支架底座、磁感应线圈、线圈支架盖、磁电换能装置、强磁悬浮圆柱磁铁、中间壳体、半圆空腔、螺柱和螺纹槽，所述强磁悬浮圆柱磁铁的上下两侧对称设置有线圈支架盖，所述线圈支架盖的一侧依次设置有磁感应线圈、线圈支架底座、固定圆柱磁铁和端盖，所述固定圆柱磁铁固定在所述端盖的凹槽内，所述线圈支架底座固定在所述端盖上，所述磁感应线圈放于线圈支架底座内，所述线圈支架盖的一侧中心处制备有螺柱，所述螺柱的中央开设有半圆空腔，所述半圆空腔的内部插入有磁电换能装置，所述线圈支架底座的中心处开设有螺纹槽，所述螺纹槽与螺柱为配合结构，所述中间壳体通过螺纹固定在上下两个端盖之间。本发明，通过采用电磁‑压电‑磁致伸缩复合的能量采集方式，克服了单一微能量采集结构的缺点，通过优势互补实现了宽频带的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高微能量转换率和器件的输出功率，值得推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及微能源能量采集器领域，具体为一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器。
背景技术
能源是能够提供能量的资源。化石燃料的急剧消耗导致了能源危机的出现，所以微能源能量的采集和利用受到了人们的关注。振动能量是环境中普遍存在的一种微能源，采集环境中的振动能量实现自供电技术是一种理想且有效的解决方案。因此，微能源能量采集器作为振动能量采集和转换的载体成为了研究热点。
目前振动能量采集器主要有压电式、电磁式和摩擦式。压电式能量采集器一般采用悬臂梁结构，在大振幅的振动激励下，悬臂会发生大幅度的变形并产生较大应力，在反复振动下会造成机械疲劳和损坏，导致采集器寿命缩短，无法满足长期工作的需要；电磁式能量采集器灵敏度低，需要较大的机械能输入，对于低频的微弱振动响应效果差，且输出功率低；摩擦式能量采集器的内阻较大，且需要为它设计专用的能量转换的匹配电路，这限制了它的实际应用。单一形式的振动能量采集方式存在着一定的局限性，采集能量的频带窄，不能达到对环境振动能量的高效采集，大量能量以形变、热量等形式耗散。为了解决环境振动能量的高效采集问题，将性能互补的能量采集单元集成在一个器件上是一种有效的解决途径。基于此，本发明采用了一种新型的电磁-压电-磁致伸缩复合式器件结构，实现多种能量采集方式集成，它将大幅度提高采集效率，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，包括端盖、固定圆柱磁铁、线圈支架底座、磁感应线圈、线圈支架盖、磁电换能装置、强磁悬浮圆柱磁铁、中间壳体、半圆空腔、螺柱和螺纹槽，所述强磁悬浮圆柱磁铁的上下两侧对称设置有线圈支架盖，所述线圈支架盖的一侧依次设置有磁感应线圈、线圈支架底座、固定圆柱磁铁和端盖，所述固定圆柱磁铁固定在所述端盖的凹槽内，所述线圈支架底座固定在所述端盖上，所述磁感应线圈放于线圈支架底座内，所述线圈支架盖的一侧中心处制备有螺柱，所述螺柱的中央开设有半圆空腔，所述半圆空腔的内部插入有磁电换能装置，所述磁电换能装置由压电层、第一超磁致伸缩层和第二超磁致伸缩层组成，所述压电层放于所述第一超磁致伸缩层与第二超磁致伸缩层的内部之间，并用环氧树脂固定，所述线圈支架底座的中心处开设有螺纹槽，所述螺纹槽与螺柱为配合结构，所述中间壳体通过螺纹固定在上下两个端盖之间。
根据上述技术方案，所述固定圆柱磁铁由端盖和线圈支架底座固定。
根据上述技术方案，所述磁电换能装置是通过环氧树脂胶粘结于半圆空腔内的一侧。
根据上述技术方案，上下两个所述固定圆柱磁铁的磁极放置的方向是相同的，中间的所述强磁悬浮圆柱磁铁的磁极需要与上下两个所述固定圆柱磁铁的磁极相同。
根据上述技术方案，所述强磁悬浮圆柱磁铁悬浮在所述中间壳体的内部。
根据上述技术方案，所述半圆空腔的外径内壁上制备有辐条。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
A.本发明将法拉第电磁感应定律和磁性原理相结合，强磁悬浮圆柱磁铁9感应外部环境的机械振动，导致强磁悬浮圆柱磁铁9产生的磁场发生变化，根据法拉第电磁感应定律，在变化磁场中的磁感应线圈4就会产生感应电荷，电荷流过外电路形成电流；强磁悬浮圆柱磁铁9工作时，根据磁性原理，磁铁同性相斥，利用两端的固定圆柱磁铁2，实现了强磁悬浮圆柱磁铁9的磁悬浮，减少了振动时的能量损失，使能量采集器可以感受到微小的振动，从而增大了环境能量采集的灵敏度和微能量转换效率。
B.本发明将磁致伸缩效应和压电效应相结合，强磁悬浮圆柱磁铁9振动时，线圈支架盖5中的磁电换能装置6感受到变化磁场，在变化磁场的作用下，根据磁致伸缩效应，磁电换能装置6中的第一超磁致伸缩层8和第二超磁致伸缩层14产生机械应变，由于第一超磁致伸缩层8和第二超磁致伸缩层14与压电层7紧密粘贴在一起，机械应变传递到压电层7，根据压电效应，压电层7发生机械应变就产生电能输出，实现振动能到电能的转换；通过磁致伸缩层和压电层的配合设计，可实现强磁悬浮圆柱磁铁9微小机械振动到磁电换能装置6中压电层较大变形的转化，提高了器件的输出功率。
C.本发明采用电磁-压电-磁致伸缩复合的能量采集方式，克服了单一微能量采集结构的缺点，通过优势互补实现了宽频带的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高微能量转换率和器件的输出功率，值得推广使用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构爆炸图；
图2是本发明的图1中A区域结构示意图；
图3是本发明的整体正视剖面结构示意图；
图4是本发明的线圈支架盖结构示意图；
图5是本发明的磁电换能装置结构示意图；
图中：1、端盖；2、固定圆柱磁铁；3、线圈支架底座；4、磁感应线圈；5、线圈支架盖；6、磁电换能装置；7、压电层；8、第一超磁致伸缩层；9、强磁悬浮圆柱磁铁；10、中间壳体；11、半圆空腔；12、螺柱；13、螺纹槽；14、第二超磁致伸缩层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，包括端盖1、固定圆柱磁铁2、线圈支架底座3、磁感应线圈4、线圈支架盖5、磁电换能装置6、强磁悬浮圆柱磁铁9、中间壳体10、半圆空腔11、螺柱12和螺纹槽13，强磁悬浮圆柱磁铁9的上下两侧对称设置有线圈支架盖5，线圈支架盖5的一侧依次设置有磁感应线圈4、线圈支架底座3、固定圆柱磁铁2和端盖1，固定圆柱磁铁2固定在端盖1的凹槽内，线圈支架底座3固定在端盖1上，磁感应线圈4放于线圈支架底座3内，线圈支架盖5的一侧中心处制备有螺柱12，螺柱12的中央开设有半圆空腔11，半圆空腔11的内部插入有磁电换能装置6，磁电换能装置6由压电层7、第一超磁致伸缩层8和第二超磁致伸缩层14组成，压电层7放于第一超磁致伸缩层8与第二超磁致伸缩层14的内部之间，并用环氧树脂固定，线圈支架底座3的中心处开设有螺纹槽13，螺纹槽13与螺柱12为配合结构，中间壳体10通过螺纹固定在上下两个端盖1之间；固定圆柱磁铁2由端盖1和线圈支架底座3固定，便于提高固定圆柱磁铁2的安装稳定性；磁电换能装置6是通过环氧树脂胶粘结于半圆空腔11内的一侧，便于提高连接处的牢固性；上下两个固定圆柱磁铁2的磁极放置的方向是相同的，中间的强磁悬浮圆柱磁铁9的磁极需要与上下两个固定圆柱磁铁2的磁极相同，便于为强磁悬浮圆柱磁铁9提供悬浮所需的磁力；强磁悬浮圆柱磁铁9悬浮在中间壳体10的内部，便于强磁悬浮圆柱磁铁9的磁力对称分布；半圆空腔11的外径内壁上制备有辐条，便于提供防护效果。
本发明的工作过程如下，强磁悬浮圆柱磁铁9工作时，根据磁性原理，磁铁同性相斥，利用两端的固定圆柱磁铁2，实现了强磁悬浮圆柱磁铁9的磁悬浮，通过强磁悬浮圆柱磁铁9感应外部环境的机械振动，强磁悬浮圆柱磁铁9发生振动，它产生的磁场也发生变化，根据法拉第电磁感应定律，在变化磁场中的磁感应线圈4就会产生感应电荷，电荷流过外电路形成电流；同时，在强磁悬浮圆柱磁铁9振动时，线圈支架盖5中的磁电换能装置6感受到变化磁场，在变化磁场的作用下，根据磁致伸缩效应磁电换能装置6中的第一超磁致伸缩层8和第二超磁致伸缩层14产生机械应变，由于第一超磁致伸缩层8和第二超磁致伸缩层14与压电层7紧密粘贴在一起，机械应变传递到压电层7，根据压电效应，压电层7发生机械应变就产生电能输出，实现振动能到电能的转换。采用电磁-压电-磁致伸缩复合的能量采集方式，克服了单一微能量采集结构的缺点，通过优势互补实现了宽频带的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高微能量转换率和器件的输出功率，值得推广使用。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，包括端盖（1）、固定圆柱磁铁（2）、线圈支架底座（3）、磁感应线圈（4）、线圈支架盖（5）、磁电换能装置（6）、强磁悬浮圆柱磁铁（9）、中间壳体（10）、半圆空腔（11）、螺柱（12）和螺纹槽（13），其特征在于：所述强磁悬浮圆柱磁铁（9）的上下两侧对称设置有线圈支架盖（5），所述线圈支架盖（5）的一侧依次设置有磁感应线圈（4）、线圈支架底座（3）、固定圆柱磁铁（2）和端盖（1），所述固定圆柱磁铁（2）固定在所述端盖（1）的凹槽内，所述线圈支架底座（3）固定在所述端盖（1）上，所述磁感应线圈（4）放于线圈支架底座（3）内，所述线圈支架盖（5）的一侧中心处制备有螺柱（12），所述螺柱（12）的中央开设有半圆空腔（11），所述半圆空腔（11）的内部插入有磁电换能装置（6），所述磁电换能装置（6）由压电层（7）、第一超磁致伸缩层（8）和第二超磁致伸缩层（14）组成，所述压电层（7）放于所述第一超磁致伸缩层（8）与第二超磁致伸缩层（14）的内部之间，并用环氧树脂固定，所述线圈支架底座（3）的中心处开设有螺纹槽（13），所述螺纹槽（13）与螺柱（12）为配合结构，所述中间壳体（10）通过螺纹固定在上下两个端盖（1）之间。
2.根据权利要求1所述的一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，其特征在于：所述固定圆柱磁铁（2）由端盖（1）和线圈支架底座（3）固定。
3.根据权利要求1所述的一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，其特征在于：所述磁电换能装置（6）是通过环氧树脂胶粘结于半圆空腔（11）内的一侧。
4.根据权利要求1所述的一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，其特征在于：上下两个所述固定圆柱磁铁（2）的磁极放置的方向是相同的，中间的所述强磁悬浮圆柱磁铁（9）的磁极需要与上下两个所述固定圆柱磁铁（2）的磁极相同。
5.根据权利要求1所述的一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，其特征在于：所述强磁悬浮圆柱磁铁（9）悬浮在所述中间壳体（10）的内部。
6.根据权利要求1所述的一种电磁-压电-磁致伸缩复合式微能源能量采集器，其特征在于：所述半圆空腔（11）的外径内壁上制备有辐条。
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