CN114123863B - 一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，包括：磁致伸缩结构，磁致伸缩结构设置为棒状结构；磁致伸缩结构与磁场约束结构之间构成闭合磁路，闭合磁路内部具有偏置磁场；能量收集部设置于磁致伸缩结构上；使用时初始化磁致伸缩结构内部的磁畴方向；当磁场约束结构受到来自于垂直方向的压力时，压力传给连接在一起的磁致伸缩结构，磁致伸缩结构内部磁畴发生偏移，进而使得闭合磁路内部磁场发生变化；当磁场发生变化时，能量收集部能够将力信号转换为电压信号，进而实现了对振动能量的收集。本发明能够收集环境中以往难以收集的能源，例如动物行走或者奔跑的时候所产生的振动能量，具有较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集领域，特别是涉及一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置。
背景技术
近年，无线和可穿戴设备的发展迅速。该领域的进步使得将普通无线传感器网络的功率需求降低到仅几十毫瓦成为可能。对于这样的功率水平，由于无线和可穿戴设备中电池尺寸的限制，能够提供数百毫瓦时/立方厘米能量密度的电化学电池仅限于短期运行。而针对于长期操作，电池需要充电甚至更换，并且其性能随着时间退化。因此将环境中的振动能转化为电能引起了世界各地不同研究领域的许多研究者的注意，事实上机械振动的能量几乎无处不在(来自车辆、建筑物、人类活动等的振动)。激励研究人员提出新的但具有挑战性的解决方案，将这种能量转化为电能，在无法获得电能的情况下为不同的传感器供电。
近年来收集环境振动的能量收集器多数为电磁式、压电式以及静电式。但是这三种样式的收集器缺点明显，电磁式含磁性元件，可能存在电磁干扰的问题。压电式材料硬而脆、存极化现象、输出阻抗大。静电式输出阻抗高、极板间隙小、需对电容极板供电。而基于磁致伸缩材料机磁耦合系数大、灵敏度高、能量密度高。目前学者们利用磁致伸缩材料例如Galfenol和Terfenol-D等制作的振动能量收集器大部分是弯曲式片状结构的设计，即将材料做成薄片状甚至薄膜状，当振动施加在材料上时会导致材料的变形，从而使材料产生内部的磁畴方向变化进而材料内部磁场也会发生变化，最后利用线圈的法拉第电磁感应定律收集电能。但是弯曲式的振动能量收集器只能在较小压力的振动环境下应用。所以只研究弯曲片状式的振动能量收集器是不足以满足现状要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，以解决上述现有技术存在的问题，使其能够收集环境中以往难以收集的能源，例如动物行走或者奔跑的时候所产生的振动能量，提高可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，包括：
磁致伸缩结构，所述磁致伸缩结构设置为棒状结构；
磁场约束结构，所述磁致伸缩结构与所述磁场约束结构之间构成闭合磁路，所述闭合磁路内部具有偏置磁场；
能量收集部，所述能量收集部设置于所述磁致伸缩结构上，用于收集由振动能量转化的电能。
优选的，所述磁致伸缩结构包括相互平行的第一磁致伸缩材料棒和第二磁致伸缩材料棒，且所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒均沿竖直方向设置，所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒均为长方体结构，且底面设置为正方形，所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒的磁致伸缩材料成分均为(Fe81.6Ga18.4)99.4B0.6。
优选的，所述磁场约束结构包括相互平行的第一磁轭和第二磁轭，所述第一磁致伸缩材料棒垂直于所述第一磁轭，所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒分别放置于所述第一磁轭和所述第二磁轭的首末两端，所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒与所述第一磁轭和所述第二磁轭的宽度一致且位于同一截面，以构成所述闭合磁路。
优选的，所述第一磁轭和所述第二磁轭均由若干片硅钢片粘贴叠压制成。
优选的，所述闭合磁路内设有磁性件，所述磁性件位于所述闭合磁路的中心位置，所述磁性件用于提供偏置磁场。
优选的，所述磁性件包括第一永磁铁和第二永磁铁，所述第一永磁铁和所述第二永磁铁上下对应设置，且所述第一永磁铁和所述第二永磁铁之间留有气隙。
优选的，所述第一永磁铁和所述第二永磁铁均为长方体结构，且所述第一永磁铁和所述第二永磁铁均为钕铁硼永磁铁。
优选的，所述能量收集部包括串联连接的多匝感应线圈，所述第一磁致伸缩材料棒和所述第二磁致伸缩材料棒均缠绕有多匝所述感应线圈。
优选的，所述第一磁轭的顶面粘接有上端盖，所述上端盖与第一磁轭接触面的面积与所述第一磁轭顶面的面积一致，所述第二磁轭的底面粘接有底座，所述底座与所述第二磁轭接触面的面积与所述第二磁轭的底面面积一致。
优选的，所述上端盖和所述底座均由铝制材料制成，且所述上端盖和所述底座均为棱台形结构。
本发明公开了以下技术效果：本发明在使用时，初始化磁致伸缩结构内部的磁畴方向；当磁场约束结构受到来自于垂直方向的压力时，压力传给连接在一起的磁致伸缩结构，磁致伸缩结构内部磁畴发生偏移，进而使得闭合磁路内部磁场发生变化；当磁场发生变化时，能量收集部能够将力信号转换为电压信号，进而实现了对振动能量的收集。本发明能够收集环境中以往难以收集的能源，例如动物行走或者奔跑的时候所产生的振动能量，并且结构简单，体积小，稳定性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置的结构示意图；
图2为本发明第一磁轭和第二磁轭的组装图；
图3为本发明上端盖和底座的结构示意图；
图4为本发明气隙的结构示意图；
图5示出了本发明双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置中输出电压与施加力之间的关系曲线；
图6示出了压力为300N、改变施加力的速度时，本发明双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置的输出电压与时间的关系曲线；
其中，1为上端盖，2为第一磁轭，3为第一磁致伸缩材料棒，4为感应线圈，5为第一永磁铁，6为第二磁轭，7为底座，8为第二磁致伸缩材料棒，9为第二永磁体。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明将磁致伸缩(Galfenol)材料应用于振动能量收集领域，主要涉及基于磁致伸缩材料的新型磁致伸缩振动能量收集器，针对于弯曲式振动能量收集器存在的易损坏和难以收集较大振动力的问题，为实现收集环境中人或者动物运动产生的较大幅值的振动力，设计了一种体积小、采集范围广、耐用持久的新型双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，利用棒状材料结构设计的本装置可以采集高达几百上千牛顿的振动力。
参照图1-6，其具体的技术特征包括：
磁致伸缩结构，磁致伸缩结构设置为棒状结构；
磁场约束结构，磁致伸缩结构与磁场约束结构之间构成闭合磁路，闭合磁路内部具有偏置磁场；
能量收集部，能量收集部设置于磁致伸缩结构上，用于收集由振动能量转化的电能。
使用时，初始化磁致伸缩结构内部的磁畴方向；当磁场约束结构受到来自于垂直方向的压力时，压力传给连接在一起的磁致伸缩结构，磁致伸缩结构内部磁畴发生偏移，进而使得闭合磁路内部磁场发生变化；当磁场发生变化时，能量收集部能够将力信号转换为电压信号，进而实现了对振动能量的收集。本发明能够收集环境中以往难以收集的能源，例如动物行走或者奔跑的时候所产生的振动能量，并且结构简单，体积小，稳定性强。
进一步优化方案，磁致伸缩结构包括相互平行的第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8，第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8作为磁致伸缩结构的左右两部分，且第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8均沿竖直方向设置，第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8均为长方体结构，且底面设置为正方形，优选的，其边长为7.5mm，高度为25mm，两根磁致伸缩材料棒之间的距离为20mm；第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8的磁致伸缩材料成分均为(Fe81.6Ga18.4)99.4B0.6。
进一步优化方案，磁场约束结构包括相互平行的第一磁轭2和第二磁轭6，第一磁轭2和第二磁轭6作为磁场约束结构的上下两部分，第一磁致伸缩材料棒3垂直于第一磁轭2，第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8分别放置于第一磁轭2和第二磁轭6的首末两端，并且端面贴合，第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8与第一磁轭2和第二磁轭6的宽度一致且位于同一截面，以构成闭合磁路。
进一步优化方案，第一磁轭2和第二磁轭6均由若干片硅钢片粘贴叠压制成。优选的，其均由13片硅钢片粘贴叠压制成，硅钢片厚度为0.4mm、长度为35mm、宽度为5mm，最终组成的磁轭高度为5mm、长度为35mm、宽度为7.5mm。设置若干片硅钢片组合，以减小磁轭的磁阻以及工作过程中不必要的损耗。
进一步优化方案，闭合磁路内设有磁性件，磁性件用于提供偏置磁场，磁性件位于闭合磁路的中心位置，能够提供更均匀的磁场。
进一步优化方案，磁性件包括第一永磁铁5和第二永磁铁9，第一永磁铁5和第二永磁铁9上下对应设置，第一永磁铁5和第二永磁铁9位于闭合磁路的中心对称位置，且两者处于同一截面，优选的，每块永磁体高度为12.4mm、长度为8mm、宽度为7.5mm，且第一永磁铁5和第二永磁铁9之间留有气隙，优选的，气隙间距为2mm，一方面避免了当永磁体为一个整体结构时受到垂直方向的力会产生反作用力，从而影响收集效果，另一方面将永磁体分为两部分，可以均匀的为两边的材料棒提供偏置磁场，令磁致伸缩材料棒上下磁场分布均匀，第一永磁铁5和第二永磁铁9均为长方体结构，避免产生过多的漏磁以及提供一个更合适的磁路，且第一永磁铁5和第二永磁铁9均为钕铁硼永磁铁，材质为Nd2Fe14B。
考虑到本发明是为采集较大的振动力而设计的，当器件受到高达数百甚至上千牛顿的力时，为避免中间的永磁体在受到较大压力的时候产生与施加力方向相反的作用力，从而影响到磁致伸缩振动能量收集的正常工作，将本发明中提供偏置磁场的永磁体设计成中间有一定气隙的上下两部分。
进一步优化方案，能量收集部包括串联连接的多匝感应线圈4，第一磁致伸缩材料棒3和第二磁致伸缩材料棒8均缠绕有多匝感应线圈4，通过缠绕在两根磁致伸缩材料棒上的多匝感应线圈4，利用维拉利效应以及法拉第电磁感应定律收集由振动能量转化的电能。感应线圈4是由漆包线缠绕在磁致伸缩材料棒制成，其上下两端与磁致伸缩材料棒平行，且距第一磁轭2和第二磁轭6的距离一致，优选的，其距第一磁轭2和第二磁轭6的距离均为1.5mm，采用的是0.25mm线径的漆包线，内径和磁致伸缩材料棒底面边长一致为7.5mm，外径为12.5mm，匝数为500。
进一步优化方案，第一磁轭2的顶面粘接有上端盖1，上端盖1与第一磁轭2接触面的面积与第一磁轭2顶面的面积一致，第二磁轭6的底面粘接有底座7，底座7与第二磁轭6接触面的面积与第二磁轭6的底面面积一致。上端盖1和底座7均由导磁率较低的铝制材料制成，且上端盖1和底座7均为棱台形结构。优选的，上端盖1和底座7接触磁轭部分端面与磁轭上下表面面积相同即端面的长边边长一致，为35mm，另一端面的长边边长为43mm；棱台高度为10.5mm。
当振动能量收集受到几百牛顿甚至上千牛顿的作用力时，很难保证磁轭内胶水粘贴的牢固度，在巨大的压力冲击下磁轭很容易散开，为了保证振动能量收集在较大的压力下仍然可以正常工作，设计上端盖1和底座7作为棱台衬底，以使磁轭与棱台衬底可以很好的结合，这样做既减轻了磁轭受到的压强，避免了磁轭损坏，同时扩大了受力面积从而可以接受更大范围的来自于人和其他动物运动所产生的振动能量。
进一步的说，上述本发明的磁致伸缩材料棒采用定向凝固的熔炼工艺，并沿其长度方向伸缩，即磁致伸缩材料棒高度25mm的方向上伸缩，Galfenol材料选自于Tdvib LLC能源收割机产品公司，作为一种实施方式，磁致伸缩材料棒主要成分为Fe81.6Ga18.4，，在应力下的磁场-磁通密度关系图得知能使得该磁致伸缩材料棒工作在线性区域的最优偏置磁场范围为8-15KA/m，磁致伸缩材料棒的设计长度可根据磁致伸缩材料棒在一定压力下的最优长度计算公式而得；
进一步的说，作为一种实施方式，上述的永磁铁可选用的性能参数牌号为N52，其剩余磁通密度范围可达1.44-1.48T，其最高工作温度达到70℃。永磁体高度为12.4mm、长度为8mm、宽度为7.5mm，设计其长度为8mm是为了增加永磁体截面积，从而其磁通量也会得到相应的增加，可以更好的为磁致伸缩材料棒提供偏置磁场。
本发明主要由磁致伸缩材料棒、感应线圈4、永磁体、棱台形状上端盖1及底座7、磁轭和信号测量装置构成，能够收集环境中以往难以收集的能源例如动物行走或者奔跑的时候所产生的振动能量，具有较高的可靠性。磁致伸缩材料棒固定在磁轭的首尾两端；硅钢片制成的磁轭作为横梁支柱与垂直放置的磁致伸缩材料棒形成闭合磁路；中间的第一永磁体5和第二永磁体9为两边的磁致伸缩材料棒提供偏置磁场，初始化磁致伸缩材料棒内部的磁畴方向；当棱台状上端盖1受到来自于垂直方向的压力时，会向下压制磁轭，磁轭受到压力并将压力传给连接在一起的磁致伸缩材料棒，磁致伸缩材料棒内部磁畴发生偏移，进而使得磁致伸缩材料棒内部磁场发生变化；当磁场发生变化时，缠绕在磁致伸缩材料棒四周的感应线圈4通过法拉第电磁感应定律将力信号转换为电压信号，实现了对振动能量的收集。
上述实施方式的有益效果具体体现为：
(1)将弯曲式磁致伸缩振动能量收集器薄片状式的磁致伸缩材料片，替换为长方体形状的磁致伸缩材料棒，相比于片状材料，棒状材料能经受更恶劣的使用环境而不至于损坏，使得本装置可以在更大的应用范围内使用。
(2)利用磁致伸缩材料棒的磁致伸缩逆效应以及感应线圈4的法拉第电磁感应定律，将测量的压力信号成功转变为电压信号，实现对压力的收集，压力F与输出电压V呈现很好的对应关系，如图5所示。
(3)本装置可以采集弯曲式磁致伸缩振动能量收集器无法采集的振动能量，采集高达1100N的力时，其输出电压达到了最高的1555mV(为多次实验数据平均值，单次试验最大值可达2070mV)且仍然在线性范围之内。
(4)本装置的设计初衷是将动能转换为电能，因此采用永磁体来代替通电线圈给磁致伸缩材料棒提供偏置磁场，可以减少电能的损耗，提高本装置的效率。仿真优化永磁体的尺寸，提供可以让磁致伸缩材料棒工作在线性区域的偏置磁场(本装置中的磁致伸缩材料棒最优偏置磁场在8KA/m)。
(5)磁致伸缩换能是利用了磁致伸缩焦耳效应，将电能转换为动能。在换能过程中一般将永磁体作为闭合磁路的一部分嵌在磁轭内部，而本装置中将永磁体放置于两个磁致伸缩材料棒中间位置，这样可以降低磁阻(永磁体的磁阻较大)，提高本装置的工作效率。
(6)采用两根磁致伸缩材料棒作为收集器的核心器件，每一根磁致伸缩材料棒都可以接收到来自于垂直方向的压力，进而利用感应线圈4产生电压信号，因此其最后采集到的输出电压的幅值是单棒结构以及弯曲式磁致伸缩振动能量收集器无法达到的。以往学者采用的单棒结构，在激振幅值和激振频率分别为100N和100Hz时，实验测得的输出感应电压的峰峰值为136.4mV，远低于本装置的收集效果。
(7)永磁体分为上下两部分，中间预留2mm的气隙，避免了当永磁体为一个整体结构时受到垂直方向的力会产生反作用力从而影响本装置工作效果；另一方面将永磁体分为两部分，可以均匀的为两边的磁致伸缩材料棒提供偏置磁场，令磁致伸缩材料棒上下磁场分布均匀。
(8)相比于弯曲式结构，本装置可以集成为阵列，在一处动物活动强烈的区域内安装阵列，能够在单个采集装置的基础上成倍的收集输出的电压。
实施例1：
长度25mm，底面边长7.5mm的长方体形状的磁致伸缩材料棒在100-1100N范围内的施加力与输出电压之间的关系。本实施例主要目的是研究本装置的输入输出关系和线性度。
实验平台搭建：按照图1所示结构安装各部件，并将安装好的本装置固定在实验台上，利用垂直压力施加装置为本装置提供已知静态力信号，此处的垂直压力施加装置采用的是YLJ-20TA电动压片机，所产生的压力由ZN5S-F桥式称重传感器测量，感应线圈4输出电压信号由DH-8303型数据采集卡采集并传送至计算机显示。
实验过程与结果：先将左右两边的感应线圈4串联连接，将引出的输出端导线连接到数据采集卡上，采集卡与计算机连接，并通过计算机读取数据。采用YLJ-20TA电动压片机为本装置提供100-1100N的力，压力的大小由ZN5S-F桥式称重传感器显示出来。压力首先传递到棱台状的上端盖1，并向下传递给第一磁轭2，最终引起磁致伸缩材料棒的形变。永磁体提供偏置磁场H，在8KA/m的偏置磁场强度下，对于长度25mm、底面边长7.5mm的磁致伸缩材料棒的本装置，输出电压与施加力之间的关系曲线如图5所示，图5结果表明本装置的输出电压随着施加力F的增加而增加，当施加力为100N时，平均输出电压747mV,施加力为200N时，平均输出电压为769mV，当施加力达到1100N的时候输出电压高达1365mV。
实施例2：
按照图1所示结构安装各部件，并将安装好的本装置固定在实验台上，利用垂直压力施加装置控制施加力的大小为300N不变，改变施加力的速度，研究在相同施加力的情况下，施加力的速度对本装置的输出电压的影响。
实验平台搭建：按照图1所示结构安装各部件，并将安装好的本装置固定在实验台上，利用垂直压力施加装置为本装置提供已知静态力信号，此处的垂直压力施加装置采用的是YLJ-20TA电动压片机，所产生的压力由ZN5S-F桥式称重传感器测量显示，感应线圈4输出电压信号由DH-8303型数据采集卡采集并传送至计算机显示。
实验过程与结果：采用YLJ-20TA电动压片机为本装置提供300N的力，压力的大小由ZN5S-F桥式称重传感器显示出来。压力首先传递到棱台状的上端盖1，并向下传递给磁轭，最终引起磁致伸缩材料棒的形变。永磁体提供偏置磁场H，在8KA/m的偏置磁场强度下，对于长度25mm、底面边长7.5mm的磁致伸缩材料棒的本装置，输出电压与固定大小施加力的速率之间的关系曲线如图6所示，图6结果表明本装置的输出电压随着施加力F所施加速度的增快而增加。当F＝300N，速率为0.056m/s时,输出电压最大为982.8mV、速率为0.037m/s时,输出电压最大为798.1mV、速率为0.029m/s时,输出电压最大为703.6mV、速率为0.023m/s时,输出电压最大为607.5mV、速率为0.018m/s时,输出电压最大为495.1mV,根据数据以及图6所示的内容，本装置的输出电压的大小与施加力F的速度是成正比的，速率越快输出电压越大且响应越快。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于，包括：
磁致伸缩结构，所述磁致伸缩结构设置为棒状结构；
磁场约束结构，所述磁致伸缩结构与所述磁场约束结构之间构成闭合磁路，所述闭合磁路内部具有偏置磁场；
能量收集部，所述能量收集部设置于所述磁致伸缩结构上，用于收集由振动能量转化的电能；
所述磁致伸缩结构包括相互平行的第一磁致伸缩材料棒（3）和第二磁致伸缩材料棒（8），且所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）均沿竖直方向设置，所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）均为长方体结构，且底面设置为正方形，所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）的磁致伸缩材料成分均为(Fe81.6Ga18.4)99.4B0.6。
2.根据权利要求1所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述磁场约束结构包括相互平行的第一磁轭（2）和第二磁轭（6），所述第一磁致伸缩材料棒（3）垂直于所述第一磁轭（2），所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）分别放置于所述第一磁轭（2）和所述第二磁轭（6）的首末两端，所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）与所述第一磁轭（2）和所述第二磁轭（6）的宽度一致且位于同一截面，以构成所述闭合磁路。
3.根据权利要求2所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述第一磁轭（2）和所述第二磁轭（6）均由若干片硅钢片粘贴叠压制成。
4.根据权利要求1所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述闭合磁路内设有磁性件，所述磁性件位于所述闭合磁路的中心位置，所述磁性件用于提供偏置磁场。
5.根据权利要求4所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述磁性件包括第一永磁铁（5）和第二永磁铁（9），所述第一永磁铁（5）和所述第二永磁铁（9）上下对应设置，且所述第一永磁铁（5）和所述第二永磁铁（9）之间留有气隙。
6.根据权利要求5所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述第一永磁铁（5）和所述第二永磁铁（9）均为长方体结构，且所述第一永磁铁（5）和所述第二永磁铁（9）均为钕铁硼永磁铁。
7.根据权利要求1所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述能量收集部包括串联连接的多匝感应线圈（4），所述第一磁致伸缩材料棒（3）和所述第二磁致伸缩材料棒（8）均缠绕有多匝所述感应线圈（4）。
8.根据权利要求2所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述第一磁轭（2）的顶面粘接有上端盖（1），所述上端盖（1）与第一磁轭（2）接触面的面积与所述第一磁轭（2）顶面的面积一致，所述第二磁轭（6）的底面粘接有底座（7），所述底座（7）与所述第二磁轭（6）接触面的面积与所述第二磁轭（6）的底面面积一致。
9.根据权利要求8所述的双棒结构的柱棒式磁致伸缩振动能量采集装置，其特征在于：所述上端盖（1）和所述底座（7）均由铝制材料制成，且所述上端盖（1）和所述底座（7）均为棱台形结构。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6984902B1 (en) * | 2003-02-03 | 2006-01-10 | Ferro Solutions, Inc. | High efficiency vibration energy harvester |
| CN102377363A (zh) * | 2011-10-19 | 2012-03-14 | 北京航空航天大学 | 一种巨磁致伸缩执行器双永磁补偿偏置磁路 |
| JP2013208027A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toyo Tire & Rubber Co Ltd | 発電素子 |
| JP2015044165A (ja) * | 2013-08-28 | 2015-03-12 | 国立大学法人金沢大学 | 振動電気変換デバイス |
| CN105245130A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-01-13 | 杭州电子科技大学 | 基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置及方法 |
| CN108448930A (zh) * | 2018-03-02 | 2018-08-24 | 武汉理工大学 | 铁轨振动能收集装置 |
| CN108631538A (zh) * | 2018-05-21 | 2018-10-09 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6984902B1 (en) * | 2003-02-03 | 2006-01-10 | Ferro Solutions, Inc. | High efficiency vibration energy harvester |
| CN102377363A (zh) * | 2011-10-19 | 2012-03-14 | 北京航空航天大学 | 一种巨磁致伸缩执行器双永磁补偿偏置磁路 |
| JP2013208027A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toyo Tire & Rubber Co Ltd | 発電素子 |
| JP2015044165A (ja) * | 2013-08-28 | 2015-03-12 | 国立大学法人金沢大学 | 振動電気変換デバイス |
| CN105245130A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-01-13 | 杭州电子科技大学 | 基于超磁致伸缩棒收集轨道振动能量的装置及方法 |
| CN108448930A (zh) * | 2018-03-02 | 2018-08-24 | 武汉理工大学 | 铁轨振动能收集装置 |
| CN108631538A (zh) * | 2018-05-21 | 2018-10-09 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置 |
Non-Patent Citations (1)
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| 柱棒式超磁致伸缩能量收集器的设计与实验;孟爱华;杨剑锋;蒋孙权;刘帆;刘成龙;;振动与冲击(12);全文 * |
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