CN110112956A - 一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动收集与利用的领域，涉及一种超磁致伸缩薄片材料为核心元件的通过吸收振动而产生电能的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统。该系统的曲柄一端安装在平台上，曲柄另一端通过连杆与设置在平台上的滑块连接，L形板与平台连接，超磁致伸缩材料薄片固定在L型板的上，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料薄片上，拾取线圈的线端与整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与警示灯连接。本发明以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将瞬时冲击过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集并利用的过程。
Description
技术领域
本发明属于振动收集与利用的领域，涉及一种超磁致伸缩薄片材料为核心元件的通过吸收振动而产生电能的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统。
背景技术
超磁致伸缩材料被发现于20世纪70年代，由于大多为稀土构造，又称为稀土超磁致伸缩材料，该材料能够实现机-磁-电间的能量双向转换。磁致伸缩逆效应是指铁磁材料受到外界振动而产生形变的过程中，材料内部的磁通密度将产生变化，再结合法拉第电磁效应即可将变化的磁通密度转换为电能，在此过程中，超磁致伸缩材料实现了机械能向电磁能的转换。因此，可以利用超磁致伸缩材料的这种特性，对瞬时冲击中的振动进行收集，该过程不仅可以收集振动，而且同时可以消耗振动，实现了减振和振动再利用的双重目的。
目前针对瞬时冲击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2018年光学精密工程第12期2341-2345页发表的压电陶瓷与电流变液结合的声学与振动控制系统中提出了当外界施加一个瞬时冲击力作用于该新型声学和振动控制系统中的压电陶瓷上时，压电陶瓷由于压电效应产生瞬时高压(d-c current)输入复合电流变液。在2016年探测与控制学报第4期62-66页发表的基于钹式压电阵列的引信发电装置提出了该装置能将弹药发射瞬间的冲击能量收集并转换为持续的电能输出。但是压电技术存在响应慢、能量密度小等问题，因此需要一种吸收振动而产生电能的、磁致系数大的、响应速度快的能量收集装置。
发明内容
发明目的：
为了实现对运动瞬时冲击机构中的动能进行收集利用，本发明提供一种以超磁致伸缩材料薄片为核心元件的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，通过曲柄回转运动带动滑块做直线运动，锤击安装有超磁致伸缩材料薄片的L形板，缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片将振动能量收集起来并转换为电能输出，输出的交变电信号经过有整流、滤波作用的电路板后转换为稳定、直流的电信号，通过导线点亮指示灯。
技术方案：
一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，曲柄一端安装在平台上，曲柄另一端通过连杆与设置在平台上的滑块连接，L形板与平台连接，超磁致伸缩材料薄片固定在L型板的上，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料薄片上，拾取线圈的线端与整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与指示灯连接。
曲柄一端通过固定在平台上的固定架与平台连接，曲柄的另一端与连杆一端连接，连杆的另一端与滑块连接，滑块安装在平台的凹槽轨道中，L形板的侧板左侧面与平台侧面固定连接，L形板的侧板右侧面上安装有上夹板和下夹板，L形板通过上夹板和下夹板与超磁致伸缩材料薄片固定连接，L形板的底板与收纳盒10固定连接，整流滤波电路板和锂电池安装在收纳盒10内。
长方体结构的平台上表面沿高度方向打有四个不完全贯穿的螺纹孔，在平台的右侧面上打有四个对称的螺孔，平台上表面有一矩形凸起凹槽轨道。
固定架为拱形结构，在固定架的拱形凸起部分，沿前后方向上打有一个贯穿的螺纹孔，在固定架的左右两端沿高度方向各打有一个完全贯穿的螺纹通孔；两个固定架上的螺纹通孔与平台上的四个螺纹孔通过螺栓固定，曲柄安装在两个固定架之间。
曲柄整体为矩形薄片状，曲柄左右两端为半圆形，在曲柄左右两端各打有一螺纹通孔；安装在两个固定架之间的曲柄一端的螺纹通孔与两个固定架上拱形凸起部分的螺纹孔对正，通过螺栓将曲柄和两个固定架连接固定；曲柄另一端的螺纹孔与连杆一端的螺纹孔对正，曲柄与连杆一端之间通过螺栓固定连接，连杆另一端的螺纹通孔与滑块上的螺纹孔对正，连杆和滑块通过螺栓固定连接，滑块底面与平台上表面接触；整体为矩形条状的连杆两端为半圆形，各设有螺纹通孔，连杆长度大于曲柄长度。
呈长方体结构的滑块前壁面中心处打有螺纹孔；滑块安装在平台的凹槽轨道内，沿轨道方向运动。
呈直角薄片状的上夹板的侧板设有与L形板固定的圆形通孔，上夹板的下底板上沿长边中心线方法设有与下方超磁致伸缩材料薄片和下夹板固定的螺栓孔；
呈直角的下夹板的侧板设有与L形板固定的圆形通孔，下夹板的上顶面设有与上夹板的螺栓孔对应的螺纹孔。
呈矩形薄片状的超磁致伸缩材料薄片外表面缠绕有拾取线圈；超磁致伸缩材料薄片一端安装在上夹板下底面与下夹板上顶面之间，两个紧定螺钉穿过上夹板底板上的两个螺纹孔，将超磁致伸缩材料薄片紧定。
收纳箱分为箱体和箱门两部分，箱体为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在箱体前面，且在前面处沿周向开设三边凹槽，箱体左侧面下方打有两个圆形通孔，箱体右侧面上方打有两个圆形通孔；箱门为长方体薄片状，在箱门的前面右端中心靠下处开设一椭圆形通孔，箱门安装于箱体凹槽内，且可以沿凹槽做滑动；收纳箱底层放置整流滤波电路板，隔层上放置锂电池，收纳箱放置在L形板底面上；
指示灯设有灯架，灯架为带有半圆凹槽的梯形状结构，半圆凹槽的轴线方向和灯架的厚度方向一致；两个灯架平行放置于L形底板的一角，且两个灯架的半圆凹槽的轴线相重合，圆柱形指示灯放置于两个灯架的凹槽内。
整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在指示灯的输入端。
优点及效果：
本发明是一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，具有如下优点和有益效果：
本发明以超磁致伸缩材料薄片为核心元件，通过曲柄回转带动滑块做往复直线运动，锤击L形板带动超磁致伸缩材料薄片振动，用拾取线圈拾取产生的电能，实现了将回转运动过程产生的瞬时冲击振动能量转化为电能输出。和压电材料相比较，超磁致伸缩材料的能量密度大，是压电材料的12~38倍，且响应速度特别快。磁致系数也很大，是压电材料的3~5倍。
附图说明
图1为超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统的总体结构示意图；
图2为超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统的总体结构示意图；
图3为平台的主视图；
图4为平台的俯视图；
图5为平台的右视图；
图6为固定架的主视图；
图7为固定架的俯视图；
图8为固定架的左视图；
图9为曲柄的结构示意图；
图10为连杆的俯视图；
图11为连杆B-B剖视图；
图12为滑块主视图；
图13为滑块俯视图；
图14为L形板主视图；
图15为L形板俯视图；
图16为上夹板的主视图；
图17为上夹板的俯视图；
图18为上夹板的左视图；
图19为下夹板的主视图；
图20为下夹板的俯视图；
图21为下夹板的左视图；
图22为收纳盒不带门结构示意图；
图23为收纳盒整体结构示意图；
图24为超磁致伸缩材料薄片的结构示意图
图25为灯架的主视图；
图26为灯架的左视图；
图27为整流滤波电路的工作流程；
图28为整流滤波电路板的电路图。
1-平台；2-固定架；3-曲柄；4-连杆；5-滑块；6-上夹板；7-下夹板；8-拾取线圈；9-超磁致伸缩材料薄片；10-收纳盒；11-指示灯；12-灯架；13-L形板；
14-箱体 ；15-箱门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明的一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，以超磁致伸缩材料材料薄片9作为核心元件，采用拾取线圈8将磁通变化转化为电压，实现了将运动过程中产生的振动能量转换为电能输出的过程。超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统的工作原理是：通过曲柄3回转运动带动滑块5做直线往复运动，锤击安装有超磁致伸缩材料薄片9的L形板13，缠有拾取线圈8的超磁致伸缩材料薄片9受到振动，振动会导致超磁致伸缩材料薄片9内部的磁化状态发生变化即内部的磁通量发生变化，根据法拉第电磁定律，变化的磁场会产生电场，因此在拾取线圈8中会产生感应电动势，输出的交变电信号经过有整流、滤波作用的电路板后转换为稳定、直流的电信号，通过导线点亮指示灯11。
图1、图2是超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统的总体结构示意图。工作时曲柄3回转运动带动滑块5做往复的直线运动，滑块5锤击带有超磁致伸缩材料薄片9的L形板13，超磁致伸缩材料薄片由于受到力的作用产生纵向的弯曲变形引起超磁致伸缩材料薄片内部的磁化状态发生变化即磁通发生变化，变化的磁通通过缠绕在超磁致伸缩材料薄片上的拾取线圈8产生感应电压，感应电压通过导线传递到整流滤波电路板上变成稳定、直流的电信号之后，存储到锂电池内，点亮指示灯11。其余各零件的结构图见图3-图26。
如图1和图2所示，一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，曲柄3一端安装在平台1上，曲柄3另一端通过连杆4与设置在平台1上的滑块5连接，L形板13与平台1连接，超磁致伸缩材料薄片9固定在L型板的上，拾取线圈8缠绕在超磁致伸缩材料薄片9上，拾取线圈8的线端与整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与指示灯11连接。
如图1和图2所示，曲柄3一端通过固定在平台1上的固定架2与平台1连接，曲柄3的另一端与连杆4一端连接，连杆4的另一端与滑块5连接，滑块5安装在平台1的凹槽轨道中，L形板13的侧板左侧面与平台1侧面固定连接，L形板13的侧板右侧面上安装有上夹板6和下夹板7，L形板13通过上夹板6和下夹板7与超磁致伸缩材料薄片9固定连接，L形板13的底板与收纳盒10固定连接，整流滤波电路板和锂电池安装在收纳盒10内。
如图3、图4及图5所示，长方体结构的平台1，在其上表面沿高度方向打有四个不完全贯穿的螺纹孔，在平台1的右侧面上打有四个对称的螺纹孔，平台1上表面有一矩形凸起凹槽轨道。
如图6、图7及图8所示，固定架2为拱形结构，在固定架2的拱形凸起部分，沿前后方向上打有一个贯穿的螺纹孔，在固定架2的左右两端沿高度方向各打有一个完全贯穿的螺纹通孔；一个固定架2上左右两端的两个螺纹通孔分别与平台1上表面上沿长度方向的两个螺纹孔对正，并通过螺栓固定连接；另一个固定架2上左右两端的螺纹通孔分别与平台1上表面上沿长度方向的另外两个螺纹孔对正，并通过螺栓固定连接。
如图9所示，曲柄3整体为矩形薄片状，曲柄3左右两端为半圆形。在曲柄3左右两端各打有一螺纹通孔。安装在两个固定架2之间的曲柄3一端的螺纹通孔与两个固定架2上拱形凸起部分的螺纹孔对正，通过螺栓将曲柄3和两个固定架2连接固定；曲柄3另一端的螺纹孔与连杆4一端的螺纹孔对正，曲柄3与连杆4一端之间通过螺栓固定连接，连杆4另一端的螺纹通孔与滑块5上的螺纹孔对正，连杆4和滑块5通过螺栓固定连接，滑块5底面与平台1上表面接触；整体为矩形条状的连杆4两端为半圆形，各设有螺纹通孔，连杆4长度大于曲柄3长度。曲柄3的一端安装在两个固定架2之间，曲柄3上这一端的螺纹通孔与两个固定架2上拱形凸起部分的螺纹孔对正，通过螺栓将曲柄3和两个固定架2连接固定。曲柄3另一端的螺纹通孔与连杆4一端的螺纹孔对正，曲柄3与连杆4之间通过螺栓固定连接。连杆4另一端的螺纹孔与滑块5上的螺纹孔对正，连杆4和滑块5通过螺栓固定连接。滑块5底面与平台1上表面接触，滑块5安装在平台1的凹槽轨道内，沿轨道方向运动。
如图10和图11所示，连杆4与曲柄3的结构相同，不同在于连杆4的长度大于曲柄3的长度。
如图12和图13所示，滑块5呈长方体结构，在滑块5前壁面的中心处打有螺纹孔；滑块5安装在平台1的凹槽轨道内，沿轨道方向运动。
如图14和图15所示，呈L形结构的L形板13，在侧面上沿高度方向开设有四对螺纹孔。平台1右侧面上的四个螺纹孔分别与L形板13侧面底端的两对螺纹孔对正，螺栓将平台1和L形板13固定连接。
如图16、图17和图18所示，呈直角薄片状的上夹板6的侧板设有与L形板13固定的圆形通孔，上夹板6的下底板上沿长边中心线方法设有与下方超磁致伸缩材料薄片和下夹板7固定的螺栓孔；呈直角的下夹板7的侧板设有与L形板13固定的圆形通孔，下夹板7的上顶面设有与上夹板6的螺栓孔对应的螺纹孔。
上夹板6呈直角薄片状，在上夹板6的侧板上打有有两个对称圆形通孔，在底板上沿长边中心线方向打有两个螺纹通孔。上夹板6通过螺栓安装固定在L形板13侧面上的第1对螺纹孔上。如图19、图20和图21所示，下夹板7呈直角薄片状，在下夹板7的侧板上打有两个圆形通孔。下夹板7通过螺栓安装固定在L形板13侧面上的第2对螺纹孔上。上夹板6下底面与下夹板7上顶面之间留有缝隙。
如图24所示，超磁致伸缩材料薄片9呈矩形薄片状，外表面缠绕有拾取线圈8。超磁致伸缩材料薄片9一端安装在上夹板6下底面与下夹板7上顶面之间，两个紧定螺钉穿过上夹板6底板上的两个螺纹孔，将超磁致伸缩材料薄片紧定。
如图22和图23所示，收纳盒10分为箱体14和箱门15两部分，箱体14为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在箱体14前面，且在箱体14前面处沿周向开设三边凹槽，箱体14左侧面下方打有两个圆形通孔，箱体14右侧面上方打有两个圆形通孔；箱门15为长方体薄片状，在箱门15的前面右端中心靠下处打有一椭圆形通孔，箱门15安装于箱体14凹槽内，且可以沿凹槽做滑动。收纳箱底层放置整流滤波电路板，隔层上放置充电电池，收纳箱放置在L形板13底面上。
如图25和图26所示，指示灯11设有灯架12，灯架12为带有半圆凹槽的梯形状结构，半圆凹槽的轴线方向和灯架12的厚度方向一致。两个灯架12平行放置于L形底板的一角，且两个灯架12的半圆凹槽的轴线相重合，圆柱形指示灯11放置于两个灯架12的凹槽内。
如图27所示，整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈8的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈8所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在指示灯11的输入端。
如图28所示，整流电路板包括电路板、电源变压器、二极管、电容、导线。其中D1、D2、D3、D4分别是二极管，4个二极管形成电桥形式，电容C和电阻RL 并联在电路中，一端和D1、D2的导线相连，另一端和D3、D4的导线相连。
在u2的正半周，D1和D3导通，D2、D4截止，电流由电源变压器次级上端经D1→RL→D3回到电源变压器次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压；在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由电源变压器次级的下端经D2→RL→D4回到电源变压器次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。
结论：本发明为一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，能够将瞬时冲击转化为电能进行能量的收集与利用。
Claims (10)
1.一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：曲柄（3）一端安装在平台（1）上，曲柄（3）另一端通过连杆（4）与设置在平台（1）上的滑块（5）连接，L形板（13）与平台（1）连接，超磁致伸缩材料薄片（9）固定在L型板的上，拾取线圈（8）缠绕在超磁致伸缩材料薄片（9）上，拾取线圈（8）的线端与整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与指示灯（11）连接。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：曲柄（3）一端通过固定在平台（1）上的固定架（2）与平台（1）连接，曲柄（3）的另一端与连杆（4）一端连接，连杆（4）的另一端与滑块（5）连接，滑块（5）安装在平台（1）的凹槽轨道中，L形板（13）的侧板左侧面与平台（1）侧面固定连接，L形板（13）的侧板右侧面上安装有上夹板（6）和下夹板（7），L形板（13）通过上夹板（6）和下夹板（7）与超磁致伸缩材料薄片（9）固定连接，L形板（13）的底板与收纳盒（10）固定连接，整流滤波电路板和锂电池安装在收纳盒（10）内。
3.根据权利要求1或2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：长方体结构的平台（1）上表面沿高度方向打有四个不完全贯穿的螺纹孔，在平台（1）的右侧面上打有四个对称的螺孔，平台（1）上表面有一矩形凸起凹槽轨道。
4.根据权利要求3所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：固定架（2）为拱形结构，在固定架（2）的拱形凸起部分，沿前后方向上打有一个贯穿的螺纹孔，在固定架（2）的左右两端沿高度方向各打有一个完全贯穿的螺纹通孔；两个固定架（2）上的螺纹通孔与平台（1）上的四个螺纹孔通过螺栓固定，曲柄（3）安装在两个固定架（2）之间。
5.根据权利要求1或2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：曲柄（3）整体为矩形薄片状，曲柄（3）左右两端为半圆形，在曲柄（3）左右两端各打有一螺纹通孔；安装在两个固定架（2）之间的曲柄（3）一端的螺纹通孔与两个固定架（2）上拱形凸起部分的螺纹孔对正，通过螺栓将曲柄（3）和两个固定架（2）连接固定；曲柄（3）另一端的螺纹孔与连杆（4）一端的螺纹孔对正，曲柄（3）与连杆（4）一端之间通过螺栓固定连接，连杆（4）另一端的螺纹通孔与滑块（5）上的螺纹孔对正，连杆（4）和滑块（5）通过螺栓固定连接，滑块（5）底面与平台（1）上表面接触；整体为矩形条状的连杆（4）两端为半圆形，各设有螺纹通孔，连杆（4）长度大于曲柄（3）长度。
6.根据权利要求1或2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：呈长方体结构的滑块（5）前壁面中心处打有螺纹孔；滑块（5）安装在平台（1）的凹槽轨道内，沿轨道方向运动。
7.根据权利要求1或2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：呈直角薄片状的上夹板（6）的侧板设有与L形板（13）固定的圆形通孔，上夹板（6）的下底板上沿长边中心线方法设有与下方超磁致伸缩材料薄片（9）和下夹板（7）固定的螺栓孔；
呈直角的下夹板（7）的侧板设有与L形板（13）固定的圆形通孔，下夹板（7）的上顶面设有与上夹板（6）的螺栓孔对应的螺纹孔。
8.根据权利要求1或2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：呈矩形薄片状的超磁致伸缩材料薄片（9）外表面缠绕有拾取线圈（8）；超磁致伸缩材料薄片（9）一端安装在上夹板（6）下底面与下夹板（7）上顶面之间，两个紧定螺钉穿过上夹板（6）底板上的两个螺纹孔，将超磁致伸缩材料薄片（9）紧定。
9.根据权利要求2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：收纳箱分为箱体（14）和箱门（15）两部分，箱体（14）为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在箱体（14）前面，且在前面处沿周向开设三边凹槽，箱体（14）左侧面下方打有两个圆形通孔，箱体（14）右侧面上方打有两个圆形通孔；箱门（15）为长方体薄片状，在箱门（15）的前面右端中心靠下处开设一椭圆形通孔，箱门（15）安装于箱体（14）凹槽内，且可以沿凹槽做滑动；收纳箱底层放置整流滤波电路板，隔层上放置锂电池，收纳箱放置在L形板（13）底面上；
指示灯（11）设有灯架（12），灯架（12）为带有半圆凹槽的梯形状结构，半圆凹槽的轴线方向和灯架（12）的厚度方向一致；两个灯架（12）平行放置于L形底板的一角，且两个灯架（12）的半圆凹槽的轴线相重合，圆柱形指示灯（11）放置于两个灯架（12）的凹槽内。
10.根据权利要求2所述的超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统，其特征在于：整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈（8）的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈（8）所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在指示灯（11）的输入端。
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