CN204179967U - 一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器。振动能量采集器的底板左侧垂直设有固定支撑结构，底板右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体，固定支撑结构上端右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置铰链位移放大结构，底板中间设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉，铰链位移放大结构与下旋紧螺钉之间从上到下顺次设有上固定件、磁致伸缩材料，拾取线圈均匀绕制在磁致伸缩材料表面，永磁体上端面与铰链位移放大结构下表面间存在气隙，气隙长度在振源作用下将发生变化，装置亦可拓展至两种或多种磁致伸缩材料独立工作的振动能量采集。本实用新型装置结构紧凑，组装部件少且易于更换，适用于高负载振源下大功率电能输出的振动能量的采集。

Description

一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器

技术领域

本实用新型涉及一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，具体涉及一种小型便于集成化的可变气隙长度、高负载振动能量采集器。

背景技术

随着无线传感器在传感器网络和微机电系统中的广泛应用，具有使用寿命短、维护费用高、不易于更换、污染环境等缺点的传统电池，已难以满足其供电需求。如何高效的从环境中采集能量，实现无线传感器的自供能技术，是近年来国内外学者研究的热点问题。振动能量以其存在的普遍性、能量密度高等特点被研究者青睐。同时，振动能量采集器的低成本、小体积结构、长寿命、易集成、不需更换或充电等优点，特别适合为无线传感器网络节点供电，对解决无线传感器网络节点中化学电池的更换和传感器的自供能意义重大。

目前的振动能量采集器一般采用压电材料来设计制作，具有结构体积小，便于集成化的特点，在微机电系统中具有非常好的应用前景。但现有的压电振动能量采集器存在输出电功率小、不易于工作在高负载振动环境等不足，且大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾一直是现有振动能量采集器器件开发中的关键问题。磁致伸缩材料具有非常优越的压磁能量转换特性，可工作在大应力冲击及高负载环境，能够较好的满足铁路、公路等大应力振动环境，且磁致伸缩材料的机磁耦合系数大、负载能力强、能量密度高、转换效率高等优点，特别适合于新型振动能量采集装置的应用开发。

针对现有的振动能量采集器应用中存在大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾的问题，探索及开发一种适用于高负载振动环境的小型、易于集成化的大功率、高性能振动能量采集器，为无线传感器网络中自供能技术的供电性能、使用寿命及系统稳定性提供保障。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器。

一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器包括固定支撑结构、铰链位移放大结构、上固定件、磁致伸缩材料、拾取线圈、下旋紧螺钉、气隙、永磁体、底板；底板左侧垂直设有固定支撑结构，底板右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体，固定支撑结构上端右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置铰链位移放大结构并用螺钉固定，底板中间设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉，铰链位移放大结构与下旋紧螺钉之间从上到下顺次设有上固定件、磁致伸缩材料，拾取线圈均匀的绕制在磁致伸缩材料的外表面，磁致伸缩材料的上、下端部分别放置在上固定件和下旋紧螺钉的凹槽内，永磁体的上端面与铰链位移放大结构端部下表面间存在气隙。

另一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器包括永磁体、底板、左固定支撑结构、左铰链位移放大结构、左侧上固定件、左磁致伸缩材料、左拾取线圈、左侧下旋紧螺钉、左气隙、右固定支撑结构、右铰链位移放大结构、右侧上固定件、右磁致伸缩材料、右拾取线圈、右侧下旋紧螺钉、右气隙；底板左右端分别垂直设有左固定支撑结构、右固定支撑结构，底板中心设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体，左固定支撑结构和右固定支撑结构上端内侧分别设有一凹槽，在凹槽中分别垂直放置左铰链位移放大结构、右铰链位移放大结构并用螺钉固定，底板凹槽两侧分别设有两螺纹孔，两螺纹孔内分别设有左侧下旋紧螺钉、右侧下旋紧螺钉，左铰链位移放大结构与左侧下旋紧螺钉之间从上到下顺次设有左侧上固定件、左磁致伸缩材料，右铰链位移放大结构与右侧下旋紧螺钉之间从上到下顺次设有右侧上固定件、右磁致伸缩材料，左拾取线圈、右拾取线圈分别均匀的绕制在左磁致伸缩材料、右磁致伸缩材料的外表面，左磁致伸缩材料的上、下端部分别放置在左侧上固定件和左侧下旋紧螺钉的凹槽内，右磁致伸缩材料的上、下端部分别放置在右侧上固定件和右侧下旋紧螺钉的凹槽内，永磁体的上端面分别与左铰链位移放大结构、右铰链位移放大结构端部下表面间存在左气隙、右气隙。

所述的铰链位移放大结构、上固定件、下旋紧螺钉、底板、左铰链位移放大结构、左侧上固定件、左侧下旋紧螺钉、右铰链位移放大结构、右侧上固定件、右侧下旋紧螺钉的材质均采用高导磁特性的10号钢；固定支撑结构、左固定支撑结构、右固定支撑结构的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。

所述的永磁体材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，上端为永磁体N极，下端为永磁体S极。

所述的固定支撑结构卡槽与铰链位移放大结构上、下端面间为过渡配合，左固定支撑结构卡槽与左铰链位移放大结构上、下端面间为过渡配合，右固定支撑结构卡槽与右铰链位移放大结构上、下端面间为过渡配合。

所述的下旋紧螺钉与底板之间的螺纹螺距配合为1mm，左侧下旋紧螺钉、右侧下旋紧螺钉与底板之间的螺纹螺距配合为1mm。

所述的永磁体上表面与铰链位移放大结构端部的下表面间的气隙长度为4-5mm。

所述的永磁体上表面与左铰链位移放大结构、右铰链位移放大结构端部的下表面间的左气隙、右气隙长度为7-8mm；左铰链位移放大结构与右铰链位移放大结构端面间间距长度为2-3mm。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：

1）本实用新型采用压磁发电与电磁发电相结合，通过装置结构的设计，可实现环境振源作用下磁致伸缩材料内压应力和磁场强度的同时改变，且采用铰链位移放大结构与可变气隙结构相集合，大大提高环境振动能量的采集及转换效率，具有大功率电能输出的能量采集特点。

2）本实用新型采用磁致伸缩材料来设计制作换能器，该换能器可工作在高负载的振动环境，且具有高性能、高可靠性的特点；同时，该结构下的磁致伸缩换能器具有预压压应力、气隙长度可调节的特点，可以满足宽振动频率、负载应力环境下高性能振动能量的采集需求。

3）本实用新型在保证较大电功率输出的前提下，具有结构体积小，组装部件少，易于拆卸、更换部件等特点，对解决现有振动能量采集器中大的电功率输出与小体积结构、便于集成化相矛盾的问题非常有意义。

附图说明

图1是一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器结构主剖视图；

图2是另一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器结构主剖视图。

具体实施方式

如图1所示，一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器包括固定支撑结构1、铰链位移放大结构2、上固定件3、磁致伸缩材料4、拾取线圈5、下旋紧螺钉6、气隙7、永磁体8、底板9；底板9左侧垂直设有固定支撑结构1，底板9右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体8，固定支撑结构1上端右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置铰链位移放大结构2并用螺钉固定，底板9中间设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉6，铰链位移放大结构2与下旋紧螺钉6之间从上到下顺次设有上固定件3、磁致伸缩材料4，拾取线圈5均匀的绕制在磁致伸缩材料4的外表面，磁致伸缩材料4的上、下端部分别放置在上固定件3和下旋紧螺钉6的凹槽内，永磁体8的上端面与铰链位移放大结构2端部下表面间存在气隙7。

如图2所示，另一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器包括永磁体8、底板9、左固定支撑结构11、左铰链位移放大结构12、左侧上固定件13、左磁致伸缩材料14、左拾取线圈15、左侧下旋紧螺钉16、左气隙17、右固定支撑结构21、右铰链位移放大结构22、右侧上固定件23、右磁致伸缩材料24、右拾取线圈25、右侧下旋紧螺钉26、右气隙27；底板9左右端分别垂直设有左固定支撑结构11、右固定支撑结构21，底板9中心设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体8，左固定支撑结构11和右固定支撑结构21上端内侧分别设有一凹槽，在凹槽中分别垂直放置左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22并用螺钉固定，底板9凹槽两侧分别设有两螺纹孔，两螺纹孔内分别设有左侧下旋紧螺钉16、右侧下旋紧螺钉26，左铰链位移放大结构12与左侧下旋紧螺钉16之间从上到下顺次设有左侧上固定件13、左磁致伸缩材料14，右铰链位移放大结构22与右侧下旋紧螺钉26之间从上到下顺次设有右侧上固定件23、右磁致伸缩材料24，左拾取线圈15、右拾取线圈25分别均匀的绕制在左磁致伸缩材料14、右磁致伸缩材料24的外表面，左磁致伸缩材料14的上、下端部分别放置在左侧上固定件13和左侧下旋紧螺钉16的凹槽内，右磁致伸缩材料24的上、下端部分别放置在右侧上固定件23和右侧下旋紧螺钉26的凹槽内，永磁体8的上端面分别与左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22端部下表面间存在左气隙17、右气隙27。

所述的铰链位移放大结构2、上固定件3、下旋紧螺钉6、底板9、左铰链位移放大结构12、左侧上固定件13、左侧下旋紧螺钉16、右铰链位移放大结构22、右侧上固定件23、右侧下旋紧螺钉26的材质均采用高导磁特性的10号钢；固定支撑结构1、左固定支撑结构11、右固定支撑结构21的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。

所述的永磁体8材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，上端为永磁体N极，下端为永磁体S极。

所述的固定支撑结构1卡槽与铰链位移放大结构2上、下端面间为过渡配合，左固定支撑结构11卡槽与左铰链位移放大结构12上、下端面间为过渡配合，右固定支撑结构21卡槽与右铰链位移放大结构22上、下端面间为过渡配合。

所述的下旋紧螺钉6与底板9之间的螺纹螺距配合为1mm，左侧下旋紧螺钉16、右侧下旋紧螺钉26与底板9之间的螺纹螺距配合为1mm。

所述的永磁体8上表面与铰链位移放大结构2端部的下表面间的气隙7长度为4-5mm。

所述的永磁体8上表面与左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22端部的下表面间的左气隙17、右气隙27长度为7-8mm；左铰链位移放大结构12与右铰链位移放大结构22端面间间距长度为2-3mm。

一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集方法包括：旋转下旋紧螺钉6挤压铰链位移放大结构2发生位移形变，可调整磁致伸缩材料4工作的预压应力，调节气隙7的长度，可调整磁致伸缩材料4工作的预加偏置磁场，可根据环境振源调整磁致伸缩材料4的预加载荷工作点；振源作用在铰链位移放大结构2上表面时，铰链位移放大结构2将向下发生位移形变，导致磁致伸缩材料4中压应力和气隙7的长度发生改变，磁致伸缩材料4中压应力的改变将产生压磁效应，气隙7长度的改变将使磁致伸缩材料4内磁场强度发生改变，具有压磁发电-电磁发电的复合发电效果。

另一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集方法包括：分别旋转左侧下旋紧螺钉16、右侧下旋紧螺钉26以挤压左侧铰链位移放大结构12、右侧铰链位移放大结构22发生位移形变，可分别调整左磁致伸缩材料14和右磁致伸缩材料24工作的预压应力，分别调节左气隙17、右气隙27的长度，可调整左磁致伸缩材料14和右磁致伸缩材料24工作的预加偏置磁场，可根据环境振源独立调整左磁致伸缩材料14和右磁致伸缩材料24的预加载荷工作点；振源作用在左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22上表面时，左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22将向下发生位移形变，导致左磁致伸缩材料14、右磁致伸缩材料24中压应力和左气隙17、右气隙27的长度发生改变，左磁致伸缩材料14、右磁致伸缩材料24中压应力的改变将产生压磁发电效应，左气隙17、右气隙27长度的改变将使左磁致伸缩材料14、右磁致伸缩材料24内磁场强度发生改变，产生电磁发电效果，实现压磁发电-电磁发电的复合发电效果；振源作用在左铰链位移放大结构12、右铰链位移放大结构22上表面时，左磁致伸缩材料14和右磁致伸缩材料24中产生彼此独立的压磁-电磁复合发电效果，且左磁致伸缩材料14和右磁致伸缩材料24中预压应力、左气隙17和右气隙27长度的独立调节，可实现双磁致伸缩材料独立、联合工作的振动能量采集效果，且参考这一振动能量采集方法，亦可扩展至多磁致伸缩材料在点、线、面等多形式下的振动能量采集。

Claims (8)

1.一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于包括固定支撑结构（1）、铰链位移放大结构（2）、上固定件（3）、磁致伸缩材料（4）、拾取线圈（5）、下旋紧螺钉（6）、气隙（7）、永磁体（8）、底板（9）；底板（9）左侧垂直设有固定支撑结构（1），底板（9）右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体（8），固定支撑结构（1）上端右侧设有一凹槽，在凹槽中垂直放置铰链位移放大结构（2）并用螺钉固定，底板（9）中间设有螺纹孔，螺纹孔内设有下旋紧螺钉（6），铰链位移放大结构（2）与下旋紧螺钉（6）之间从上到下顺次设有上固定件（3）、磁致伸缩材料（4），拾取线圈（5）均匀的绕制在磁致伸缩材料（4）的外表面，磁致伸缩材料（4）的上、下端部分别放置在上固定件（3）和下旋紧螺钉（6）的凹槽内，永磁体（8）的上端面与铰链位移放大结构（2）端部下表面间存在气隙（7）。

2.根据权利要求1所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的永磁体（8）上表面与铰链位移放大结构（2）端部的下表面间的气隙（7）长度为4-5mm。

3.一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于包括永磁体（8）、底板（9）、左固定支撑结构（11）、左铰链位移放大结构（12）、左侧上固定件（13）、左磁致伸缩材料（14）、左拾取线圈（15）、左侧下旋紧螺钉（16）、左气隙（17）、右固定支撑结构（21）、右铰链位移放大结构（22）、右侧上固定件（23）、右磁致伸缩材料（24）、右拾取线圈（25）、右侧下旋紧螺钉（26）、右气隙（27）；底板（9）左右端分别垂直设有左固定支撑结构（11）、右固定支撑结构（21），底板（9）中心设有一凹槽，在凹槽中垂直放置永磁体（8），左固定支撑结构（11）和右固定支撑结构（21）上端内侧分别设有一凹槽，在凹槽中分别垂直放置左铰链位移放大结构（12）、右铰链位移放大结构（22）并用螺钉固定，底板（9）凹槽两侧分别设有两螺纹孔，两螺纹孔内分别设有左侧下旋紧螺钉（16）、右侧下旋紧螺钉（26），左铰链位移放大结构（12）与左侧下旋紧螺钉（16）之间从上到下顺次设有左侧上固定件（13）、左磁致伸缩材料（14），右铰链位移放大结构（22）与右侧下旋紧螺钉（26）之间从上到下顺次设有右侧上固定件（23）、右磁致伸缩材料（24），左拾取线圈（15）、右拾取线圈（25）分别均匀的绕制在左磁致伸缩材料（14）、右磁致伸缩材料（24）的外表面，左磁致伸缩材料（14）的上、下端部分别放置在左侧上固定件（13）和左侧下旋紧螺钉（16）的凹槽内，右磁致伸缩材料（24）的上、下端部分别放置在右侧上固定件（23）和右侧下旋紧螺钉（26）的凹槽内，永磁体（8）的上端面分别与左铰链位移放大结构（12）、右铰链位移放大结构（22）端部下表面间存在左气隙（17）、右气隙（27）。

4.根据权利要求1或3所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的铰链位移放大结构（2）、上固定件（3）、下旋紧螺钉（6）、底板（9）、左铰链位移放大结构（12）、左侧上固定件（13）、左侧下旋紧螺钉（16）、右铰链位移放大结构（22）、右侧上固定件（23）、右侧下旋紧螺钉（26）的材质均采用高导磁特性的10号钢；固定支撑结构（1）、左固定支撑结构（11）、右固定支撑结构（21）的材质为不导磁的1Cr18Ni9Ti。

5.根据权利要求1或3所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的永磁体（8）材质为钕铁硼永磁材料，采用轴向方向充磁，上端为永磁体N极，下端为永磁体S极。

6.根据权利要求1或3所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的固定支撑结构（1）卡槽与铰链位移放大结构（2）上、下端面间为过渡配合，左固定支撑结构（11）卡槽与左铰链位移放大结构（12）上、下端面间为过渡配合，右固定支撑结构（21）卡槽与右铰链位移放大结构（22）上、下端面间为过渡配合。

7.根据权利要求1或3所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的下旋紧螺钉（6）与底板（9）之间的螺纹螺距配合为1mm，左侧下旋紧螺钉（16）、右侧下旋紧螺钉（26）与底板（9）之间的螺纹螺距配合为1mm。

8.根据权利要求3所述的一种可变气隙式磁致伸缩振动能量采集器，其特征在于：所述的永磁体（8）上表面与左铰链位移放大结构（12）、右铰链位移放大结构（22）端部的下表面间的左气隙（17）、右气隙（27）长度为7-8mm；左铰链位移放大结构（12）与右铰链位移放大结构（22）端面间间距长度为2-3mm。