CN110043435A - 基于磁相变合金的振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量收集领域，特别是一种基于磁相变合金的振动能量收集器。包括上层磁轭、线圈、磁相变合金材料、下层磁轭、缓冲层和永磁体；磁相变合金材料和永磁体分别垂直固定在下层磁轭的两端；永磁体上端设置缓冲层，磁相变合金材料上缠绕线圈，线圈两端连接整流电路和电容器；磁相变合金材料和缓冲层的上部设置上层磁轭，磁相变合金材料和缓冲层的上端分别位于上层磁轭的两端，从而形成完整的“回”字形器件。本申请的振动能量收集器采用磁相变合金作为器件的核心部件，利用磁相变合金磁性对应力的敏感性，实现弱磁/铁磁态的切换，同时利用磁轭实现在完整磁路中磁力线的传输，使器件中的漏磁现象得到避免，有效的提高能量转换效率。

Description

基于磁相变合金的振动能量收集器

技术领域

本发明属于能量收集领域，特别是一种基于磁相变合金的振动能量收集器。

背景技术

环境中可收集的能量主要有太阳能和风能，但这些能源往往受诸多因素的影响，能量转换效率极低。例如，光能收集只能在阳光较充足的时间段进行，夜里或者阴雨天气几乎难以收集能量；风能在风力等级较低时无法有效收集能量。相较于上述能源，振动能更具普遍性和稳定性。如发动机、机床、行走等在工作时能产生持续和稳定的振动能量，且很少受外界因素的影响，因此振动能作为能量收集的对象具有广阔的发展潜力。目前振动能量收集技术主要包括压电式、电磁式和静电式三种，其能量收集器可以代替一些传统电池为传感器持续供电。

电磁式振动能量收集主要利用法拉第电磁感应定律，通过环境振动使得通过线圈的磁通量发生改变，进而使线圈产生感应电动势，实现从振动机械能到电能的转化。电磁式制作简单，结构稳定，所以相比较于其他形式能量收集的研究要早很多。

国内外的专家学者也在该方向上取得了一些研究成果：“基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器，王佩红等，纳米技术与精密工程,第8卷第6期，2010年”研究人员提出一种基于微电子机械系统(MEMS)的电磁式振动能量收集器，该能量收集器以薄玻璃板为基板，在两片硅支撑层中间安装带动永磁体振动的四角平面螺旋弹簧体，永磁体处在整个装置的中心位置，上下两平面线圈以正方形螺旋的方式粘贴在上下两层玻璃基板上，且通过硅片支撑层引出电极整个装置尺寸仅为975mm2。该能量收集器可以在约5g加速度、95Hz频率下提供约43m V的电压。

同时“横向电磁式振动能量采集器的设计与制作，李伟等，光学精密工程,第21卷第3期，2013年”研究人员提出一种电磁式振动能量收集器，该能量收集器的振动系统利用湿法腐蚀技术制作而成，平面螺旋形线圈采用电镀技术直接制作在振动质量块上。该能量收集器在频率为241Hz、加速度为2.8m/s2的外界激励下，可以产生9.2mV的峰值电压。

“球形永磁阵列振动能量收集器设计与优化，丁志强等，振动与冲击，第2期，第212-217页，2016年”研究人员提出的一种电磁式振动能量收集器，该能量收集器由大小两个球体组成，大小球体之间设置有支撑左右的玻璃圆柱体，圆柱体内安置线圈；带有磁力的滚珠在小球内部滚动，外部振动时，小球内带有磁力的滚珠产生位移，当滚珠滑过安置线圈的位置时，线圈内磁通量发生改变从而产生电能。在外界刺激频率为10Hz、负载为50Ω时，单个线圈的最大功率可达到0.8mW。

通过对上述三种电磁振动能量器的结构和原理进行总结，可以发现都是通过磁铁和线圈发生相对运动实现线圈内磁通量发生改变从而产生电能，在相对运动的过程中磁铁产生的磁感线并不能全部通过线圈，使得器件存在漏磁现象，尤其在低频率下漏磁使得磁路中的磁感应强度降低，能量转换效率不高，继而产生的感应电动势较低，电能转换效率低下。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于磁相变合金的振动能量收集器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于磁相变合金的振动能量收集器，所述收集器包括上层磁轭、线圈、磁相变合金材料、下层磁轭、缓冲层和永磁体；

所述磁相变合金材料和永磁体分别垂直固定在下层磁轭的两端；

所述永磁体上端设置缓冲层，缓冲层和永磁体的高度之和小于磁相变合金材料的高度；

所述磁相变合金材料上缠绕线圈，线圈两端连接整流电路和电容器；

所述磁相变合金材料和缓冲层的上部设置上层磁轭，所述磁相变合金材料和缓冲层的上端分别位于上层磁轭的两端，从而使得收集器形成完整的“回”字形器件。

进一步地，所述缓冲层由铁粉和硅橡胶均匀混合而成，所述硅橡胶包括A液和B液，将A液和B液以相应的质量比混合均匀得到液体，再将铁粉混合到液体中，将混有铁粉的液体放置于永磁体上端，自然冷却固化得到缓冲层，所述缓冲层粘接在永磁体上段。

进一步地，所述硅橡胶为DC184硅橡胶。

进一步地，所述缓冲层和永磁体的高度之和比磁相变合金材料的高度小2-10mm。

进一步地，所述磁相变合金材料为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变。

进一步地，所述磁相变合金材料为Heusler型合金。

进一步地，所述上层磁轭和下层磁轭为软磁合金。

进一步地，所述线圈为单层线圈。

进一步地，所述永磁体为钕铁硼材料。

一种利用上述的振动能量收集器进行能量收集的方法，具体步骤如下：

(1)磁相变合金材料具有铁磁性，磁感线由永磁体的N极发出，通过缓冲层、上层磁轭、磁相变合金材料以及下层磁轭，回到永磁体S极；

(2)当外界的压力作用在上层磁轭时，部分压力传递至磁相变合金材料，诱导磁相变合金材料发生铁磁-弱磁相变，致使磁回路中断，线圈内的磁通量发生改变，进而产生电流；

(3)当压力撤去后，磁相变合金材料由弱磁态变回铁磁态，磁回路重新建立，线圈内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

(4)通过不断地施加/撤去压力，振动能量被不断转化为电能，并将电能储存下来为传感器供电。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)该器件是由磁轭、线圈、磁相变合金材料、铁粉、硅橡胶以及永磁体制备得到完整的回字形磁路，采用磁相变合金作为器件的核心部件，利用磁相变合金磁性对应力的敏感性，实现弱磁/铁磁态的切换，同时利用磁轭实现在完整磁路中磁力线的传输，使器件中的漏磁现象得到避免，有效的提高能量转换效率。

(2)器件中固化后的缓冲层+永磁体高度略低于(2mm-10mm)磁相变合金的高度，可以使振动过程产生的应力有效的作用于磁相变合金，加快磁相变合金的磁性转换速率，更好的实现能量转换。

(3)器件中的缓冲层由铁粉和硅橡胶制备而成，一方面在器件受力时起到缓冲作用，保护永磁体，保证器件可以长时间正常工作。另一方面，利用缓冲层中存在的铁粉实现更好的磁力线传输，减少磁力线的传输损耗。

附图说明

图1是基于磁相变合金的振动能量收集器的示意图。

图2是基于磁相变合金的振动能量收集器的工作原理图。

附图标记说明：

1-上层磁轭，2-线圈，3-磁相变合金材料，4-下层磁轭，5-缓冲层，6-永磁体。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明公开了一种基于磁相变合金的振动能量收集器，所述的振动能量收集器由上层磁轭1、下层磁轭4、线圈2、磁相变合金材料3、铁粉、硅橡胶以及永磁体6制备而成。

本发明的振动能收集器制备过程是：先将永磁体6和磁相变合金材料3垂直固定在下层磁轭4的左右两端，随后将构成硅橡胶的A液和B液以相应的质量比混合均匀得到液体，再将铁粉混合到其中，等到自然冷却固化得到相应的缓冲层5，随后粘接在永磁体6上段，固化后缓冲层5+永磁体6的高度略低于(2mm～10mm)磁相变合金的高度，最后在磁相变合金材料3上缠绕线圈2，线圈2两端连接上整流电路和电容器，并将上层磁轭1固定在磁相变合金材料3以及缓冲层5的上端，形成完整的回字形器件。

磁相变合金材料3为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变，优选为Heusler(赫斯勒)型合金，该合金具有优良的力学性能。

上层磁轭1和下层磁轭4优选为软磁合金，软磁合金的制备已经有成熟的制备工艺，可以方便得到，同时在磁路中具有优良的磁力线传输性能，防止漏磁。

线圈2优选为单层线圈，单层线圈具有工艺简单，利用率高和单层结构不会发生相间击穿故障等优点。

永磁体6优选为钕铁硼材料，钕铁硼材料的制备已经有成熟的制备工艺，实现商业化，方便易得。

硅橡胶优选为DC184硅橡胶，硅橡胶已经有成熟的制备工艺，实现商业化，方便易得，同时具有良好的弹性，减小器件受力时对永磁体的损坏。

如图2所示，本发明涉及振动能量收集器的工作原理是：

初始时，磁相变合金材料3具有铁磁性，器件成完整的磁回路，磁感线由永磁体6的N极发出，通过铁粉/硅橡胶混合物、上层磁轭1、磁相变合金材料3以及下层磁轭4，回到永磁体S极；

当外界的压力作用在上层磁轭1时，部分压力传递至磁相变合金材料3，诱导合金发生铁磁-弱磁相变，致使磁回路中断，线圈2内的磁通量发生改变，进而产生电流；

当压力撤去后，磁相变合金材料3由弱磁态变回铁磁态，磁回路重新建立，线圈2内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

通过不断地施加/撤去压力，振动能可被不断转化为电能，并将电能储存下来方便为传感器等器件供电。

本发明能够持续不断地将振动能转换为电能，有助于对新能源的利用和发展，保护环境。

Claims (10)

1.一种基于磁相变合金的振动能量收集器，其特征在于，所述收集器包括上层磁轭(1)、线圈(2)、磁相变合金材料(3)、下层磁轭(4)、缓冲层(5)和永磁体(6)；

所述磁相变合金材料(3)和永磁体(6)分别垂直固定在下层磁轭(1)的两端；

所述永磁体(6)上端设置缓冲层(5)，缓冲层(5)和永磁体(6)的高度之和小于磁相变合金材料(3)的高度；

所述磁相变合金材料(3)上缠绕线圈(2)，线圈两端连接整流电路和电容器；

所述磁相变合金材料(3)和缓冲层(5)的上部设置上层磁轭(1)，所述磁相变合金材料(3)和缓冲层(5)的上端分别位于上层磁轭(1)的两端，从而使得收集器形成完整的“回”字形器件。

2.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述缓冲层(5)由铁粉和硅橡胶均匀混合而成，所述硅橡胶包括A液和B液，将A液和B液以相应的质量比混合均匀得到液体，再将铁粉混合到液体中，将混有铁粉的液体放置于永磁体(6)上端，自然冷却固化得到缓冲层(5)，所述缓冲层(5)粘接在永磁体(6)上段。

3.根据权利要求2所述的振动能量收集器，其特征在于，所述硅橡胶为DC184硅橡胶。

4.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述缓冲层(5)和永磁体(6)的高度之和比磁相变合金材料(3)的高度小2-10mm。

5.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述磁相变合金材料(3)为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变。

6.根据权利要求5所述的振动能量收集器，其特征在于，所述磁相变合金材料(3)为Heusler型合金。

7.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述上层磁轭(1)和下层磁轭(4)为软磁合金。

8.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述线圈(2)为单层线圈。

9.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述永磁体(6)为钕铁硼材料。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的振动能量收集器进行能量收集的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)磁相变合金材料(3)具有铁磁性，磁感线由永磁体(6)的N极发出，通过缓冲层(5)、上层磁轭(1)、磁相变合金材料(3)以及下层磁轭(4)，回到永磁体(6)S极；

(2)当外界的压力作用在上层磁轭(1)时，部分压力传递至磁相变合金材料(3)，诱导磁相变合金材料(3)发生铁磁-弱磁相变，致使磁回路中断，线圈(2)内的磁通量发生改变，进而产生电流；

(3)当压力撤去后，磁相变合金材料(3)由弱磁态变回铁磁态，磁回路重新建立，线圈(2)内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

(4)通过不断地施加/撤去压力，振动能量被不断转化为电能，并将电能储存下来为传感器供电。