磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器及其方法。振動能量采集器的底板左、右側垂直放置左永磁體、右永磁體，底板上固定有左L型固定支撐結構、右L型固定支撐結構，底板中心設有螺紋孔，螺紋孔內設有下旋緊螺釘，左L型固定支撐結構，右L型固定支撐結構內從上到下設有工字型鉸鏈位移放大結構下端、磁致伸縮材料、下固定件、碟簧，拾取線圈均勻繞制在磁致伸縮材料外表面，碟簧疊放在下固定件的下凸臺上，左永磁體、右永磁體上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構上端的下表面間存在左氣隙、右氣隙。本發(fā)明裝置結構緊湊，便于小型微型化，具有壓磁-電磁復合發(fā)電特色，可應用于高負載振動環(huán)境下的振動能量采集。
【專利說明】磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器及其方法，具體涉及一種小型便于集成化的磁致伸縮-電磁復合式、高負載振動能量采集器。
【背景技術】
[0002]隨著無線傳感器在傳感器網絡和微機電系統(tǒng)中的廣泛應用，具有使用壽命短、維護費用高、不易于更換、污染環(huán)境等缺點的傳統(tǒng)電池，已難以滿足其供電需求。如何高效的從環(huán)境中采集能量，實現無線傳感器的自供能技術，是近年來國內外學者研究的熱點問題。振動能量以其存在的普遍性、能量密度高等特點被研究者青睞。同時，振動能量采集器的低成本、小體積結構、長壽命、易集成、不需更換或充電等優(yōu)點，特別適合為無線傳感器網絡節(jié)點供電，對解決無線傳感器網絡節(jié)點中化學電池的更換和傳感器的自供能意義重大。
[0003]目前的振動能量采集器一般采用壓電材料來設計制作，具有結構體積小，便于集成化的特點，在微機電系統(tǒng)中具有非常好的應用前景。但現有的壓電振動能量采集器存在輸出電功率小、不易于工作在高負載振動環(huán)境等不足，且大的電功率輸出與小體積結構、便于集成化相矛盾一直是現有振動能量采集器器件開發(fā)中的關鍵問題。磁致伸縮材料具有非常優(yōu)越的壓磁能量轉換特性，可工作在大應力沖擊及高負載環(huán)境，能夠較好的滿足鐵路、公路等大應力振動環(huán)境，且磁致伸縮材料的機磁耦合系數大、負載能力強、能量密度高、轉換效率高等優(yōu)點，特別適合于新型振動能量采集裝置的應用開發(fā)。
[0004]針對現有的振動能量采集器應用中存在大的電功率輸出與小體積結構、便于集成化相矛盾的問題，探索及開發(fā)一種適用于高負載振動環(huán)境的小型、易于集成化的大功率、高性能振動能量采集器，為無線傳感器網絡中自供能技術的供電性能、使用壽命及系統(tǒng)穩(wěn)定性提供保障。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足，提供一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器及其方法。
[0006]磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器包括左L型固定支撐結構、右L型固定支撐結構、工字型鉸鏈位移放大結構、磁致伸縮材料、拾取線圈、下固定件、碟簧、下旋緊螺釘、左氣隙、右氣隙、左永磁體、右永磁體、底板；底板左、右側分別設有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁體、右永磁體，底板上固定有左L型固定支撐結構、右L型固定支撐結構，底板中心設有螺紋孔，螺紋孔內設有下旋緊螺釘，左L型固定支撐結構，右L型固定支撐結構內從上到下設有工字型鉸鏈位移放大結構下端、磁致伸縮材料、下固定件、碟簧，拾取線圈均勻的繞制在磁致伸縮材料的外表面，磁致伸縮材料的上、下端部分別放置在工字型鉸鏈位移放大結構下端下表面和下固定件的凹槽內，碟簧疊放在下固定件的下凸臺上，左永磁體、右永磁體的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構上端的下表面間存在左氣隙、右氣隙。
[0007]所述的工字型鉸鏈位移放大結構、下固定件、下旋緊螺釘和底板的材質均采用高導磁特性的10號鋼；左L型固定支撐結構、右L型固定支撐結構的材質為不導磁的lCrl8Ni9Ti0
[0008]所述的下固定件采用階梯式結構，與下旋緊螺釘、底板接觸區(qū)域選用間隙配合；下固定件下端面與下旋緊螺釘凹槽面間具有5-6mm的結構調整間距。
[0009]所述的下旋緊螺釘與底板之間的螺紋螺距配合為1mm。
[0010]所述的左永磁體、右永磁體材質為釹鐵硼永磁材料，采用軸向方向充磁,左永磁體和右永磁體上端均為N極，下端均為S極；左永磁體、右永磁體的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構上端的下表面間的左氣隙、右氣隙長度為4-5_。
[0011]所述的左永磁體、右永磁體材質為釹鐵硼永磁材料，采用軸向方向充磁,左永磁體的上端為N極，下端為S極，右永磁體的上端為S極，下端為N極；左永磁體的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構上端的下表面間的左氣隙長度為4-5mm，右永磁體的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構上端的下表面間的右氣隙長度為8-1 Omm。
[0012]采集器的磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集方法包括:旋轉下旋緊螺釘擠壓碟簧發(fā)生形變，可調整磁致伸縮材料工作的預壓應力，調節(jié)左氣隙和右氣隙的長度，可調整磁致伸縮材料工作的預加偏置磁場，可根據環(huán)境振源特點調整磁致伸縮材料的預加載荷工作點；振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構上表面的左側、中間、右側時，工字型鉸鏈位移放大結構將發(fā)生向下的位移形變或角度偏轉，導致磁致伸縮材料中壓應力和左氣隙、右氣隙的長度發(fā)生改變，磁致伸縮材料中壓應力的改變將產生壓磁效應，左氣隙和右氣隙長度的改變將使磁致伸縮材料內磁場強度發(fā)生改變，產生壓磁發(fā)電-電磁發(fā)電的復合發(fā)電效果；當右永磁體采取上端N極，下端S極的充磁方式時，能量采集器在結構和采集效果上具有對稱性，左永磁體、右永磁體為磁致伸縮材料提供同向且幅值相等的偏置磁場，振源作用使工字型鉸鏈位移放大結構發(fā)生角度偏轉時，左氣隙和右氣隙的長度將發(fā)生一增一減變化，破壞了結構上的對稱性，使得左永磁體、右永磁體作用在磁致伸縮材料內磁場變化的效果相反，磁致伸縮材料內應力變化與兩部分磁場變化的疊加可實現多種性能的壓磁-電磁發(fā)電效果；當右永磁體采取上端S極，下端N極的充磁方式時，左永磁體、右永磁體為磁致伸縮材料提供相反的偏置磁場，能量采集器在結構和采集效果上具有非對稱特點，其中左永磁體為磁致伸縮材料提供主偏置磁場，右永磁體對主偏置磁場有削減作用，由于左氣隙與右氣隙的有效長度不相等，振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構上表面時，左氣隙和右氣隙的長度將發(fā)生變化，當左氣隙長度小于右氣隙長度時，左永磁體依舊提供主磁場，當左氣隙長度大于右氣隙長度時，右永磁體對磁致伸縮材料合成磁場的貢獻將大于左永磁體，從而實現磁致伸縮材料內合成磁場的正、反方向更替，可實現正、負信號交替的電功率輸出。
[0013]本發(fā)明與現有技術相比具有的有益效果:
I)本發(fā)明采用壓磁發(fā)電與電磁發(fā)電相結合，通過裝置結構的設計，可實現環(huán)境振源作用下磁致伸縮材料內壓應力和磁場強度的同時改變，且采用鉸鏈位移放大結構與可變氣隙結構相集合，大大提高環(huán)境振動能量的采集及轉換效率，具有大功率電能輸出的能量采集特點。
[0014]2)本發(fā)明采用磁致伸縮材料來設計制作換能器，該換能器可工作在高負載的振動環(huán)境，具有高性能、高可靠性特點；同時，該結構下的磁致伸縮換能器具有預壓應力、氣隙長度可調節(jié)的特點，可滿足寬振動頻率、負載應力環(huán)境下高性能振動能量的采集需求。
[0015]3)本發(fā)明在保證較大電功率輸出的前提下，具有結構體積小，組裝部件少，易于拆卸、更換部件等特點，對解決現有振動能量采集器中大的電功率輸出與小體積結構、便于集成化相矛盾的問題非常有意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是對稱式磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器主剖視圖；
圖2是非對稱式磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器主剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器包括左L型固定支撐結構1、右L型固定支撐結構2、工字型鉸鏈位移放大結構3、磁致伸縮材料4、拾取線圈5、下固定件
6、碟簧7、下旋緊螺釘8、左氣隙9、右氣隙10、左永磁體11、右永磁體12、底板13 ;底板13左、右側分別設有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁體11、右永磁體12，底板10上固定有左L型固定支撐結構1、右L型固定支撐結構2，底板13中心設有螺紋孔，螺紋孔內設有下旋緊螺釘8，左L型固定支撐結構1，右L型固定支撐結構2內從上到下設有工字型鉸鏈位移放大結構3下端、磁致伸縮材料4、下固定件6、碟簧7，拾取線圈5均勻的繞制在磁致伸縮材料4的外表面，磁致伸縮材料4的上、下端部分別放置在工字型鉸鏈位移放大結構2下端下表面和下固定件6的凹槽內，碟簧7疊放在下固定件6的下凸臺上，左永磁體11、右永磁體12的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構3上端的下表面間存在左氣隙9、右氣隙10。
[0018]所述的工字型鉸鏈位移放大結構3、下固定件6、下旋緊螺釘8和底板13的材質均采用高導磁特性的10號鋼；左L型固定支撐結構1、右L型固定支撐結構2的材質為不導磁的 lCrl8Ni9Ti。
[0019]所述的下固定件6采用階梯式結構，與下旋緊螺釘8、底板13接觸區(qū)域選用間隙配合；下固定件6下端面與下旋緊螺釘8凹槽面間具有5-6mm的結構調整間距。
[0020]所述的下旋緊螺釘8與底板13之間的螺紋螺距配合為1mm。
[0021 ] 所述的左永磁體11、右永磁體12材質為釹鐵硼永磁材料，采用軸向方向充磁，左永磁體11和右永磁體12上端均為N極，下端均為S極，如圖1所示；左永磁體11、右永磁體12的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構3上端的下表面間的左氣隙9、右氣隙10長度為4_5mm。
[0022]所述的左永磁體11、右永磁體12材質為釹鐵硼永磁材料，采用軸向方向充磁，左永磁體11的上端為N極，下端為S極，右永磁體12的上端為S極，下端為N極，如圖2所示；左永磁體11的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構3上端的下表面間的左氣隙9長度為4_5mm,右永磁體12的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構3上端的下表面間的右氣隙10長度為8-10_。
[0023]采集器的磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集方法包括:旋轉下旋緊螺釘8擠壓碟簧7發(fā)生形變，可調整磁致伸縮材料4工作的預壓應力，調節(jié)左氣隙9和右氣隙10的長度，可調整磁致伸縮材料4工作的預加偏置磁場，可根據環(huán)境振源特點調整磁致伸縮材料4的預加載荷工作點；振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構3上表面的左側、中間、右側時，工字型鉸鏈位移放大結構3將發(fā)生向下的位移形變或角度偏轉，導致磁致伸縮材料4中壓應力和左氣隙9、右氣隙10的長度發(fā)生改變，磁致伸縮材料4中壓應力的改變將產生壓磁效應，左氣隙9和右氣隙10長度的改變將使磁致伸縮材料4內磁場強度發(fā)生改變，產生壓磁發(fā)電-電磁發(fā)電的復合發(fā)電效果；當右永磁體12采取上端N極，下端S極的充磁方式時，能量采集器在結構和采集效果上具有對稱性，左永磁體11、右永磁體12為磁致伸縮材料4提供同向且幅值相等的偏置磁場，振源作用使工字型鉸鏈位移放大結構3發(fā)生角度偏轉時，左氣隙9和右氣隙10的長度將發(fā)生一增一減變化，破壞了結構上的對稱性，使得左永磁體
11、右永磁體12作用在磁致伸縮材料4內磁場變化的效果相反，磁致伸縮材料4內應力變化與兩部分磁場變化的疊加可實現多種性能的壓磁-電磁發(fā)電效果；當右永磁體12采取上端S極，下端N極的充磁方式時，左永磁體11、右永磁體12為磁致伸縮材料4提供相反的偏置磁場，能量采集器在結構和采集效果上具有非對稱特點，其中左永磁體11為磁致伸縮材料4提供主偏置磁場,右永磁體12對主偏置磁場有削減作用，由于左氣隙9與右氣隙10的有效長度不相等，振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構3上表面時，左氣隙9和右氣隙10的長度將發(fā)生變化，當左氣隙9長度小于右氣隙10長度時,左永磁體11依舊提供主磁場，當左氣隙9長度大于右氣隙10長度時,右永磁體12對磁致伸縮材料4合成磁場的貢獻將大于左永磁體11，從而實現磁致伸縮材料4內合成磁場的正、反方向更替，可實現正、負信號交替的電功率輸出。
【權利要求】
1.一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于包括左L型固定支撐結構(I)、右L型固定支撐結構(2)、工字型鉸鏈位移放大結構(3)、磁致伸縮材料(4)、拾取線圈(5)、下固定件(6)、碟簧(7)、下旋緊螺釘(8)、左氣隙(9)、右氣隙(10)、左永磁體(11)、右永磁體(12 )、底板(13 );底板(13 )左、右側分別設有一凹槽，在凹槽中垂直放置左永磁體(11)、右永磁體(12),底板(13)上固定有左L型固定支撐結構(I)、右L型固定支撐結構(2)，底板(13)中心設有螺紋孔，螺紋孔內設有下旋緊螺釘(8)，左L型固定支撐結構(1)，右L型固定支撐結構(2)內從上到下設有工字型鉸鏈位移放大結構(3)下端、磁致伸縮材料(4)、下固定件(6)、碟簧(7)，拾取線圈(5)均勻的繞制在磁致伸縮材料(4)的外表面，磁致伸縮材料(4)的上、下端部分別放置在工字型鉸鏈位移放大結構(2)下端下表面和下固定件(6)的凹槽內，碟簧(7)疊放在下固定件(6)的下凸臺上，左永磁體(11)、右永磁體(12)的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構(3)上端的下表面間存在左氣隙(9)、右氣隙(10)。
2.根據權利要求1所述的一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于:所述的工字型鉸鏈位移放大結構(3)、下固定件(6)、下旋緊螺釘(8)和底板(13)的材質均采用高導磁特性的10號鋼；左L型固定支撐結構(I )、右L型固定支撐結構(2)的材質為不導磁的 lCrl8Ni9Ti。
3.根據權利要求1所述的一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于:所述的下固定件(6)采用階梯式結構，與下旋緊螺釘(8)、底板(13)接觸區(qū)域選用間隙配合；下固定件(6)下端面與下旋緊螺釘(8)凹槽面間具有5-6mm的結構調整間距。
4.根據權利要求1所述的一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于:所述的下旋緊螺釘(8)與底板(13)之間的螺紋螺距配合為1mm。
5.根據權利要求1所述的一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于:所述的左永磁體(11)、右永磁體(12 )材質為釹鐵硼永磁材料，米用軸向方向充磁，左永磁體(11)和右永磁體(12)上端均為N極，下端均為S極；左永磁體(11)、右永磁體(12)的上端面分別與工字型鉸鏈位移放大結構(3)上端的下表面間的左氣隙(9)、右氣隙(10)長度為 4_5mm。
6.根據權利要求1所述的一種磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集器，其特征在于:所述的左永磁體(11)、右永磁體(12)材質為釹鐵硼永磁材料,米用軸向方向充磁，左永磁體(11)的上端為N極，下端為S極，右永磁體(12)的上端為S極，下端為N極；左永磁體(11)的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構(3)上端的下表面間的左氣隙(9)長度為4-5mm，右永磁體(12)的上端面與工字型鉸鏈位移放大結構(3)上端的下表面間的右氣隙(10)長度為8-10_。
7.一種使用如權利要求1所述采集器的磁致伸縮-電磁復合式振動能量采集方法，其特征在于包括:旋轉下旋緊螺釘(8)擠壓碟簧(7)發(fā)生形變，可調整磁致伸縮材料(4)工作的預壓應力，調節(jié)左氣隙(9)和右氣隙(10)的長度，可調整磁致伸縮材料(4)工作的預加偏置磁場，可根據環(huán)境振源特點調整磁致伸縮材料(4)的預加載荷工作點；振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構(3)上表面的左側、中間、右側時，工字型鉸鏈位移放大結構(3)將發(fā)生向下的位移形變或角度偏轉，導致磁致伸縮材料(4)中壓應力和左氣隙(9)、右氣隙(10)的長度發(fā)生改變，磁致伸縮材料(4)中壓應力的改變將產生壓磁效應，左氣隙(9)和右氣隙(10)長度的改變將使磁致伸縮材料(4)內磁場強度發(fā)生改變，產生壓磁發(fā)電-電磁發(fā)電的復合發(fā)電效果；當右永磁體(12)采取上端N極，下端S極的充磁方式時，能量采集器在結構和采集效果上具有對稱性，左永磁體(11)、右永磁體(12)為磁致伸縮材料(4)提供同向且幅值相等的偏置磁場，振源作用使工字型鉸鏈位移放大結構(3)發(fā)生角度偏轉時，左氣隙(9)和右氣隙(10)的長度將發(fā)生一增一減變化，破壞了結構上的對稱性，使得左永磁體(11)、右永磁體(12)作用在磁致伸縮材料(4)內磁場變化的效果相反，磁致伸縮材料(4)內應力變化與兩部分磁場變化的疊加可實現多種性能的壓磁-電磁發(fā)電效果；當右永磁體(12)采取上端S極，下端N極的充磁方式時，左永磁體(11)、右永磁體(12)為磁致伸縮材料(4)提供相反的偏置磁場，能量采集器在結構和采集效果上具有非對稱特點，其中左永磁體(11)為磁致伸縮材料(4)提供主偏置磁場，右永磁體(12)對主偏置磁場有削減作用，由于左氣隙(9)與右氣隙(10)的有效長度不相等，振源作用在工字型鉸鏈位移放大結構(3)上表面時，左氣隙(9)和右氣隙(10)的長度將發(fā)生變化，當左氣隙(9)長度小于右氣隙(10)長度時，左永磁體(11)依舊提供主磁場，當左氣隙(9)長度大于右氣隙(10)長度時,右永磁體(12)對磁致伸縮材料(4)合成磁場的貢獻將大于左永磁體(11)，從而實現磁致伸縮材料(4)內合成磁場的正、反方向更替,可實現正、負信號交替的電功率輸出。
【文檔編號】H02N2/18GK104184364SQ201410346464
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權日:2014年7月21日
【發(fā)明者】嚴柏平, 唐志峰, 呂福在, 張成明, 李立毅, 鄧雙 申請人:浙江大學