CN207853727U - 压磁式悬臂梁振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种压磁式悬臂梁振动能量收集装置，悬臂梁固定端作为整个装置的安装位，悬臂梁为弹性元件，悬臂梁尾部有配重盒；悬臂梁末端上方安装永磁体，配重盒上部安装永磁体磁轭；永磁体磁轭下方安装永磁体的上端，永磁体磁轭固定于配重盒上，配重盒下部安装线圈磁轭；线圈磁轭上的安装轴缠绕一个漆包铜线圈，线圈两引出端连接能量收集电路；下磁轭与线圈磁轭相接；在悬臂梁下侧与下磁轭相接的是下压磁磁轭；在悬臂梁的转接磁轭安装槽处安装转接磁轭，下压磁磁轭一端插入转接磁轭下部的槽中；在悬臂梁上侧是上压磁磁轭；上磁轭与永磁体磁轭相接，上磁轭固定于悬臂梁上表面。本实用新型能量转换效率较高、易于起振和维持振动、结构紧凑。

Description

压磁式悬臂梁振动能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种利用悬臂梁振动收集能量的装置。

背景技术

物联网和无线传感网络中存在大量分布的物联网节点与无线传感节点，上述节点均需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，由此产生某些负面影响：第一，电池电量有限，限制节点使用寿命；第二，化学电池引起的二次污染，对自然环境与其中的生物构成威胁。针对上述问题，研究能量收集技术以利用可再生能源实现物联网节点的自供电意义重大。

在生活中可能遇到多种振动源，例如洗衣机振动主频率大于为 110Hz，柴油机的典型振动频率为70Hz。许多学者致力于研究将振动能量收集转换为电能，根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式，其中静电式由于产生电量较低相关研究偏少。

自然环境中振动也无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等。通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：

1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。

2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。

上述2个问题，给自然环境次下能量收集带来一定难度，这是由于目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，同时自然环境振动的幅度远超过其运动部件的运动极限。于是，出现了悬臂梁振动能量收集结构，外界低频率、较大波幅的振动撞击悬臂梁，激励悬臂梁产生高频、较大振幅的自由振动的方式收集能量。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于小型电磁式振动能量收集装置的开发，于2007发表的论文Beeby S P,Torah R N,Tudor M J,Glynne-Jones P,O'Donnell T,Saha C R,Roy S.A microelectromagnetic generator for vibration energy harvesting[J].JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, 2007,17:1257-1265，引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的悬臂梁式振动能量收集装置，包含一条作为弹性元件的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达 428mV，功率46μW。文献[13]设计一种较廉价的悬臂梁式微型电磁振动能量收集装置，当外界振动频率在130Hz时，功率可达108μW。 2015发表的论文Li,Ping；Gao,Shiqiao；Cai,Huatong.Modeling and analysis of hybrid piezoelectric andelectromagnetic energy harvesting from random vibrations.MicrosystemTechnologies,2015,21(2): 401-414，讨论了一种固支梁结构的振动能量收集装置，装置中具有电磁式和压电式两套独立的能量收集装置。

除上述两篇论文，具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置尚有大量公开的文献，但均有共同的缺陷：第一，未实现闭合磁路，即磁力线在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，必然降低磁感应强度，对提高发电功率极为不利，反之，如果实现闭合磁路则将大幅提高发电功率；第二，装置中磁路(包括线圈)中部分元件参与振动，部分不参与，造成元件之间的磁力阻碍振动的问题。

发明内容

为了克服已有悬臂梁振动能量收集装置的不易于起振和维持振动、能量转换效率较低的不足,本实用新型提供了一种能量转换效率较高、易于起振和维持振动、结构紧凑的压磁式悬臂梁振动能量收集装置，以悬臂梁作为弹性元件的电磁式振动能量收集装置，在外界激励下将产生有一定持续性的自由振动，并通过具有闭合磁路的电磁式装置进行能量收集。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种压磁式悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端、永磁体、永磁体磁轭、线圈磁轭、线圈、下磁轭、下压磁磁轭、上压磁磁轭和上磁轭，所述悬臂梁固定端作为整个装置的安装位，所述悬臂梁固定端为非磁性材料制成的固定端，所述悬臂梁一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端，所述悬臂梁为弹性元件，悬臂梁靠近其固定端处的左右两侧有对称转接磁轭安装槽；所述悬臂梁尾部有配重盒，悬臂梁末端有线圈磁轭安装孔；所述悬臂梁末端线圈磁轭安装孔上方安装永磁体，悬臂梁尾部的配重盒上部的矩形通孔安装永磁体磁轭；所述永磁体磁轭下方安装永磁体的上端，永磁体磁轭固定于配重盒上，所述配重盒下部的矩形通孔安装线圈磁轭，线圈磁轭有竖直的阶梯轴，阶梯轴下部较细处为漆包线圈安装轴，阶梯轴上部端面安装永磁体下端；所述线圈磁轭上的安装轴缠绕一个漆包铜线圈，所述线圈两引出端连接能量收集电路；所述悬臂梁下方、配重盒向固定端一侧有下磁轭，所述下磁轭为L型，下磁轭与穿过悬臂梁配重盒下部矩形孔的线圈磁轭相接，下磁轭固定于悬臂梁下表面；在悬臂梁下侧，与下磁轭相接的是下压磁磁轭；在悬臂梁的转接磁轭安装槽处安装转接磁轭，所述下压磁磁轭一端插入转接磁轭下部的槽中；在悬臂梁上侧，插入转接磁轭上部的槽中、并在下磁轭正上方的是上压磁磁轭；悬臂梁上方、下磁轭正上方、一端与上压磁磁轭相接的有上磁轭，所述上磁轭为L 型，上磁轭与穿过悬臂梁配重盒上部矩形孔的永磁体磁轭相接，上磁轭固定于悬臂梁上表面。

进一步，从安装位置看，悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽。

更进一步，所述下压磁磁轭为矩形截面板材且固定于悬臂梁下表面，所述上压磁磁轭为矩形截面板材，固定于悬臂梁下表面，所述下压磁磁轭和上压磁磁轭的位置上靠近悬臂梁固支端。

再进一步，所述永磁体磁轭下方有第一圆形平底浅盲孔，永磁体的上端装入该盲孔且与盲孔底部的平面接触；阶梯轴上部端面设有第二圆形平底浅盲孔，永磁体下端装入该盲孔，与盲孔底部的平面接触。

所述悬臂梁固定端为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。悬臂梁为非磁性的材料制成，要求不导磁；同时，悬臂梁作为弹性元件，要求有较好韧性。从安装位置看，悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽，说明该装置只接受上下方向的外界激励，利用上下方向的振动进行能量收集。悬臂梁靠近其固定端处，左右两侧有对称转接磁轭安装槽；悬臂梁尾部有配重盒，增加悬臂尾部重量，利于振动；悬臂梁末端有线圈磁轭安装孔。

所述永磁体为永磁材料成的。该永磁体要求有较好的刚性和耐磨性。从安装位置看，悬臂梁尾部的配重盒上部的矩形通孔，装入了永磁体磁轭，为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。悬臂梁尾部的配重盒上方有螺钉穿过配重盒顶部的孔，将永磁体磁轭固定于配重盒上，要求螺钉为非磁性材料，如铝。

线圈磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。悬臂梁的配重盒下方有非磁性螺钉穿过配重盒底部的孔，将线圈磁轭固定于配重盒上。从安装位置看，线圈磁轭有竖直的阶梯轴，阶梯轴下部较细处为漆包线圈安装轴，该轴上方端面有圆形平底浅盲孔，永磁体下端装入该盲孔，与盲孔底部的平面接触。

下磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。下磁轭通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。下压磁磁轭通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。该下压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，同时在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应，可选择具有正压磁效应(压应力下磁导率下降)的材料，也可选择具有负压磁效应(压应力下磁导率上升)的材料。下压磁磁轭还要求具有较好强度、耐磨性和疲劳强度。下压磁磁轭的安装位置距悬臂梁固支端较近，保证了在振动中获得较大的应力。

转接磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能。上压磁磁轭为矩形截面板材，通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。该上压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，同时在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应。如果下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，则上压磁磁轭选择负压磁效应的材料；相反，如果下压磁磁轭选择具有负压磁效应的材料，则上压磁磁轭选择正压磁效应的材料。上压磁磁轭还要求具有较好强度、耐磨性和疲劳强度。上压磁磁轭的位置上距悬臂梁固支端较近，保证了在振动中获得较大的应力。

上磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。上磁轭通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁上表面。

以悬臂梁作为弹性元件的电磁式振动能量收集装置，在外界激励下将产生有一定持续性的自由振动，并通过具有闭合磁路的电磁式装置进行能量收集为低功耗无线传感器节点、物联网节点供电。

讨论悬臂梁被外力激励后发生振动时的如下三种情况：

第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，设永磁体上端为N极，该闭合磁路从永磁体N极，经永磁体磁轭、上磁轭，上压磁磁轭，转接磁轭，下压磁磁轭，下磁轭、线圈磁轭，回到永磁体S极。磁闭合磁路的存在保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中各磁轭均为磁阻不高，此时磁路磁感应强度处于中等水平。

第二，当悬臂梁向上振动弯曲，悬臂梁上侧受压下侧受拉。不失一般性地，假设下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，上压磁磁轭选择负压磁效应的材料，此时下压磁磁轭和上压磁磁轭的磁导率均显著上升，上述闭合磁路中的磁阻迅速下降，磁路总磁阻也显著下降，磁路磁感应强度显著上升，磁路磁通显著上升，通过线圈的磁链同样也显著上升。

第三，当悬臂梁向下振动弯曲，悬臂梁下侧受压上侧受拉。仍然假设下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，上压磁磁轭选择负压磁效应的材料，此时下压磁磁轭和上压磁磁轭的磁导率均显著下降，上述闭合磁路中的磁阻迅速上升，磁路总磁阻也显著上升，磁路磁感应强度显著下降，磁路磁通显著下降，通过线圈的磁链同样也显著下降。

对比上述三种情况，悬臂梁振动过程中，装置中的线圈的磁链变化显著，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。

本实用新型的有益效果表现在：第一，实现闭合磁路，杜绝大量漏磁，能量转换效率高；第二，合理利用压磁效应改变振动过程中闭合磁路中的磁阻，从而改变磁感应强度和磁链，产生电动势；第三，装置和闭合磁路整体包括线圈一起参与振动，克服闭合磁路可能带来的高磁力阻碍起振以及高振动阻尼的问题，易于起振和维持振动，结构紧凑可靠。

附图说明

图1为装置装配图。

图2为悬臂梁图。

图3为永磁体磁轭图。

图4为线圈磁轭图。

图5为转接磁轭图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参照图1～图5，一种压磁式悬臂梁振动能量收集装置，在外界激励下将产生有一定持续性的自由振动，并通过具有闭合磁路的电磁式装置进行能量收集为低功耗无线传感器节点、物联网节点供电。下面来阐述其中的具体结构：

本装置有一悬臂梁固定端1，见图1，作为整个装置的安装位，为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。

进一步，一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端的是悬臂梁2，见图1和图2，为非磁性的材料制成，要求不导磁；同时，悬臂梁作为弹性元件，要求有较好韧性。从安装位置看，悬臂梁上下方向尺寸较窄，而左右方向尺寸较宽，说明该装置只接受上下方向的外界激励，利用上下方向的振动进行能量收集。悬臂梁靠近其固定端处，左右两侧有对称转接磁轭安装槽；悬臂梁尾部有配重盒，增加悬臂尾部重量，利于振动；悬臂梁末端有线圈磁轭安装孔。

进一步，悬臂梁末端线圈磁轭安装孔上方安装了永磁体3，见图1，为永磁材料成的。该永磁体要求有较好的刚性和耐磨性。

进一步，从安装位置看，悬臂梁尾部的配重盒上部的矩形通孔，装入了永磁体磁轭4，见图1和图3，为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。永磁体磁轭下方有圆形平底浅盲孔，永磁体的上端装入该盲孔，与盲孔底部的平面接触。

进一步，悬臂梁尾部的配重盒上方有螺钉5穿过配重盒顶部的孔，将永磁体磁轭固定于配重盒上，要求螺钉为非磁性材料，如铝。

进一步，悬臂梁尾部的配重盒下部的矩形通孔，装入了线圈磁轭 6，见图1和图4，为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。悬臂梁的配重盒下方有非磁性螺钉穿过配重盒底部的孔，将线圈磁轭固定于配重盒上。从安装位置看，线圈磁轭有竖直的阶梯轴，阶梯轴下部较细处为漆包线圈安装轴，阶梯轴上部端面，该轴上方端面有圆形平底浅盲孔，永磁体下端装入该盲孔，与盲孔底部的平面接触。

进一步，线圈磁轭上的安装轴缠绕了一个漆包铜线圈7，见图1。线圈两引出端接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。

进一步，从安装位置看，悬臂梁下方、配重盒向固定端一侧有下磁轭8，见图1，为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。下磁轭为L 型，下磁轭与穿过悬臂梁配重盒下部矩形孔的线圈磁轭相接。下磁轭通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。

进一步，在悬臂梁下侧，与下磁轭相接的是下压磁磁轭9，见图1，下压磁磁轭为矩形截面板材，通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。该下压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，同时在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应，可选择具有正压磁效应(压应力下磁导率下降)的材料，也可选择具有负压磁效应 (压应力下磁导率上升)的材料。下压磁磁轭还要求具有较好强度、耐磨性和疲劳强度。下压磁磁轭的安装位置距悬臂梁固支端较近，保证了在振动中获得较大的应力。

进一步，在悬臂梁的转接磁轭安装槽处安装了转接磁轭10，见图 1和图5。转接磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能。下压磁磁轭一端插入转接磁轭下部的槽中。

进一步，在悬臂梁上侧，插入转接磁轭上部的槽中、并在下磁轭正上方的是上压磁磁轭11，见图1。上压磁磁轭为矩形截面板材，通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁下表面。该上压磁磁轭为软磁性的，具有良好的导磁性能，同时在应力作用下，其磁导率会发生明显变化，也就是具有压磁效应。如果下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，则上压磁磁轭选择负压磁效应的材料；相反，如果下压磁磁轭选择具有负压磁效应的材料，则上压磁磁轭选择正压磁效应的材料。上压磁磁轭还要求具有较好强度、耐磨性和疲劳强度。上压磁磁轭的位置上距悬臂梁固支端较近，保证了在振动中获得较大的应力。

进一步，从安装位置看，悬臂梁上方、下磁轭正上方、一端与上压磁磁轭相接的有上磁轭12，见图1，为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。上磁轭为L型，上磁轭与穿过悬臂梁配重盒上部矩形孔的永磁体磁轭相接。上磁轭通过若干非磁性螺钉固定于悬臂梁上表面。

讨论悬臂梁被外力激励后发生振动时的如下三种情况：

第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，设永磁体上端为N极，该闭合磁路从永磁体N极，经永磁体磁轭、上磁轭，上压磁磁轭，转接磁轭，下压磁磁轭，下磁轭、线圈磁轭，回到永磁体S极。磁闭合磁路的存在保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中各磁轭均为磁阻不高，此时磁路磁感应强度处于中等水平。

第二，当悬臂梁向上振动弯曲，悬臂梁上侧受压下侧受拉。不失一般性地，假设下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，上压磁磁轭选择负压磁效应的材料，此时下压磁磁轭和上压磁磁轭的磁导率均显著上升，上述闭合磁路中的磁阻迅速下降，磁路总磁阻也显著下降，磁路磁感应强度显著上升，磁路磁通显著上升，通过线圈的磁链同样也显著上升。

第三，当悬臂梁向下振动弯曲，悬臂梁下侧受压上侧受拉。仍然假设下压磁磁轭选择具有正压磁效应的材料，上压磁磁轭选择负压磁效应的材料，此时下压磁磁轭和上压磁磁轭的磁导率均显著下降，上述闭合磁路中的磁阻迅速上升，磁路总磁阻也显著上升，磁路磁感应强度显著下降，磁路磁通显著下降，通过线圈的磁链同样也显著下降。

对比上述三种情况，悬臂梁振动过程中，装置中的线圈的磁链变化显著，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。

Claims (4)

1.一种压磁式悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：包括悬臂梁固定端、永磁体、永磁体磁轭、线圈磁轭、线圈、下磁轭、下压磁磁轭、上压磁磁轭和上磁轭，所述悬臂梁固定端作为整个装置的安装位，所述悬臂梁固定端为非磁性材料制成的固定端，所述悬臂梁一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端，所述悬臂梁为弹性元件，悬臂梁靠近其固定端处的左右两侧有对称转接磁轭安装槽；所述悬臂梁尾部有配重盒，悬臂梁末端有线圈磁轭安装孔；所述悬臂梁末端线圈磁轭安装孔上方安装永磁体，悬臂梁尾部的配重盒上部的矩形通孔安装永磁体磁轭；所述永磁体磁轭下方安装永磁体的上端，永磁体磁轭固定于配重盒上，所述配重盒下部的矩形通孔安装线圈磁轭，线圈磁轭有竖直的阶梯轴，阶梯轴下部较细处为漆包线圈安装轴，阶梯轴上部端面安装永磁体下端；所述线圈磁轭上的安装轴缠绕一个漆包铜线圈，所述线圈两引出端连接能量收集电路；所述悬臂梁下方、配重盒向固定端一侧有下磁轭，所述下磁轭为L型，下磁轭与穿过悬臂梁配重盒下部矩形孔的线圈磁轭相接，下磁轭固定于悬臂梁下表面；在悬臂梁下侧，与下磁轭相接的是下压磁磁轭；在悬臂梁的转接磁轭安装槽处安装转接磁轭，所述下压磁磁轭一端插入转接磁轭下部的槽中；在悬臂梁上侧，插入转接磁轭上部的槽中、并在下磁轭正上方的是上压磁磁轭；悬臂梁上方、下磁轭正上方、一端与上压磁磁轭相接的有上磁轭，所述上磁轭为L型，上磁轭与穿过悬臂梁配重盒上部矩形孔的永磁体磁轭相接，上磁轭固定于悬臂梁上表面。

2.如权利要求1所述的压磁式悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：从安装位置看，悬臂梁上下方向尺寸窄，而左右方向尺寸宽。

3.如权利要求1或2所述的压磁式悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述下压磁磁轭为矩形截面板材且固定于悬臂梁下表面，所述上压磁磁轭为矩形截面板材，固定于悬臂梁下表面，所述下压磁磁轭和上压磁磁轭的位置上靠近悬臂梁固支端。

4.如权利要求1或2所述的压磁式悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述永磁体磁轭下方有第一圆形平底浅盲孔，永磁体的上端装入该盲孔且与盲孔底部的平面接触；阶梯轴上部端面设有第二圆形平底浅盲孔，永磁体下端装入该盲孔，与盲孔底部的平面接触。