基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置

摘要

基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置，属于振动能量收集技术领域。所述装置包括输入曲杆、固定轴、凸轮、壳体、输入顶杆、碟形弹簧、线圈骨架、超磁致伸缩棒、线圈和导线；超磁致伸缩棒安装在壳体内，线圈骨架套在超磁致伸缩棒外，线圈缠绕在线圈骨架上，导线与线圈电连接且导线穿过壳体与外部电路电连接，输入顶杆的一端与超磁致伸缩棒的顶部接触，另一端穿过壳体的顶部与凸轮接触，固定轴水平固定在壳体之上且穿过凸轮的中心，凸轮边界的曲率半径不同且沿凸轮的中心对称轴向两侧逐渐增大，输入曲杆包括直杆段和弯杆段，直杆段的一端与外界振动源固连，另一端与弯杆段的一端固连，弯杆段的另一端与凸轮的一侧转动连接。

说明书

技术领域

本发明涉及振动能量收集技术领域，特别涉及一种基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置。

背景技术

近年来，随着无线电通讯与微机电系统技术的不断发展，使得微电子器件、数字处理器、分布式传感器和可携带式电子产品等低功耗微型机电设备的应用范围不断扩大，尤其是在嵌入式系统、军事安全和航空领域、人体健康检测系统、环境控制系统，以及智能建筑控制等方面得到了广泛的应用。

随着电子技术的高速发展，电子产品集成化水平不断的提高，其功耗也不断的降低，许多低功耗微型机电设备的能量消耗都在毫瓦或微瓦以下，收集的能量对于这些低功耗微型机电设备已经足够。由于在自然环境和实际的生产生活中机械振动是一种非常普遍且广泛存在的能源形式，持续性或阶段持续性的振动能源很丰富，例如轨道车辆运行时轨道的振动、工厂中大型机械的振动、飞机发动机的振动、桥梁的振动、车辆发动机产生的振动和家用器件产生的振动等，都具有较高的能量密度，通过能量收集装置收集环境中的振动能，用于补充或取代电池给微型机电设备长期供电具有很大的运用前景。

根据振动能量收集原理的不同，现有装置可大致可分为电磁式、静电式、压电式、超磁致伸缩式。电磁式振动能量收集装置是利用法拉第电磁感应定律将自然界中大量存在的机械振动能转换为电能。静电式振动能量收集装置是通过静电效应将机械振动能转化为电能。压电式振动能量收集装置的机理是基于压电材料的正压电效应把机械振动能转换为电能。超磁致伸缩式振动能量收集装置是基于超磁致伸缩材料的维拉里效应将机械振动能转化为电能。

其中，超磁致伸缩材料由于不存在去极化引起的失效问题、不存在疲劳老化问题，因而工作更可靠；机电耦合系数可达0.75约为压电陶瓷材料的2～3倍，因而能量转换效率更高；在室温下有高达0.15％的应变量，比压电材料更灵敏，用此较小振幅下可产生更高的电压。在同等条件下，相比电磁式、静电式、压电式，采用超磁致伸缩材料进行振动能量收集，输出能量密度更大。

将振动的能量转化为电能，在有效消除振动的情况下达到变费、变害为宝，同时又对于电子元器件的高效稳定自供能的性能提高有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置，所述装置包括输入曲杆、固定轴、凸轮、壳体、以及位于壳体内的输入顶杆、碟形弹簧、线圈骨架、超磁致伸缩棒、线圈和导线；

超磁致伸缩棒竖直安装在壳体内，线圈骨架套在超磁致伸缩棒外，线圈缠绕在线圈骨架上，导线与线圈电连接且导线穿过壳体与外部电路电连接，输入顶杆的一端与超磁致伸缩棒的顶部接触，另一端穿过壳体的顶部与凸轮接触，输入顶杆与壳体顶部之间装有碟形弹簧，固定轴水平固定在壳体之上且穿过凸轮的中心，凸轮边界的曲率半径不同且沿凸轮的中心对称轴向两侧逐渐增大，输入曲杆包括直杆段和弯杆段，直杆段的一端与外界振动源固连，另一端与弯杆段的一端固连，弯杆段的另一端与凸轮的一侧转动连接，直杆段的中心轴线穿过凸轮的中心，直杆段、输入顶杆、超磁致伸缩棒和壳体的中心轴线均位于一条直线上。

所述壳体包括上端盖和下端盖，上端盖和下端盖通过螺纹连接，所述输入顶杆、所述线圈骨架、所述超磁致伸缩棒、所述线圈和所述导线位于上端盖和下端盖形成的空间内，上端盖的顶部设有通孔，所述输入顶杆的另一端穿过上端盖顶部的通孔与所述凸轮接触。

所述装置还包括调节螺钉、六角螺母和防松螺钉，调节螺钉位于所述壳体内，且调节螺钉与所述超磁致伸缩棒的底部接触，所述下端盖的底部设有螺纹孔，六角螺母位于螺纹孔内，防松螺钉连接六角螺母和调节螺钉。

所述调节螺钉与所述超磁致伸缩棒底部接触的一端为外凸的弧形面。

所述装置还包括两个位于所述壳体内的环形永磁体，分别为第一环形永磁体和第二环形永磁体，第一环形永磁体位于所述线圈骨架和所述上端盖之间，第二环形永磁体位于所述线圈骨架和所述下端盖之间。

所述输入顶杆与所述超磁致伸缩棒顶部接触的一端为外凸的弧形面。

所述输入顶杆的外壁设有卡环，所述输入顶杆的另一端依次穿过所述碟形弹簧和所述上端盖顶部的通孔与所述凸轮接触，所述碟形弹簧位于卡环与所述上端盖之间。

所述装置还包括导轨，导轨固定在所述固定轴之上，所述输入曲杆的直杆段位于导轨内且能沿着导轨做上下运动。

附图说明

图1是本发明提供的基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置的结构示意图。

其中，

1输入曲杆，11直杆段，12弯杆段；

2固定轴；3凸轮；

4壳体，41上端盖，42下端盖；

5输入顶杆，51卡环；

6碟形弹簧；7线圈骨架；8超磁致伸缩棒；9线圈；10导线；13第一环形永磁体；14第二环形永磁体；15调节螺钉；16六角螺母；17防松螺钉；18导轨。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种基于超磁致伸缩材料的双向振动能量收集装置，该装置包括输入曲杆1、固定轴2、凸轮3、壳体4、以及位于壳体4内的输入顶杆5、碟形弹簧6、线圈骨架7、超磁致伸缩棒8、线圈9和导线10；

超磁致伸缩棒8竖直安装在壳体4内，线圈骨架7套在超磁致伸缩棒8外，线圈9缠绕在线圈骨架7上，导线10与线圈9电连接且导线10穿过壳体4与外部电路电连接，输入顶杆5的一端与超磁致伸缩棒8的顶部接触，另一端穿过壳体4的顶部与凸轮3接触，输入顶杆5与壳体4顶部之间装有碟形弹簧6，固定轴2水平固定在壳体4之上且穿过凸轮3的中心，凸轮3边界的曲率半径不同且沿凸轮3的中心对称轴向两侧逐渐增大，输入曲杆1包括直杆段11和弯杆段12，直杆段11的一端与外界振动源固连，另一端与弯杆段12的一端固连，弯杆段12的另一端与凸轮3的一侧转动连接，直杆段11的中心轴线穿过凸轮3的中心，直杆段11、输入顶杆5、超磁致伸缩棒8和壳体4的中心轴线均位于一条直线上。

在本发明中，外界振动源振动时，能够带着输入曲杆1向上或者向下运动，其中由于固定轴2固定不动，因此，输入曲杆1会推动凸轮3做旋转运动，由于本发明中的凸轮3的边界的曲率半径不同且沿凸轮3的中心对称轴向两侧逐渐增大，且输入曲杆1与凸轮3的一侧连接，因此，当外界振动源带着输入曲杆1向下运动时，输入曲杆1会带动凸轮3围绕固定轴2旋转，使输入曲杆1与凸轮3连接的一侧向下做弧形运动，使得凸轮3向下压输入顶杆5，当外界振动源带着输入曲杆1向上运动时，输入曲杆1会带动凸轮3围绕固定轴2旋转，使输入曲杆1与凸轮3连接的一侧向上做弧形运动，使凸轮3远离输入曲杆1的另一侧向下压输入顶杆5，如此，实现了无论外界振动源带动输入曲杆1向上或者向下运动，均会使输入顶杆5向下压超磁致伸缩棒8；

而超磁致伸缩棒8的维拉里效应(也称为压磁效应，即超磁致伸缩棒8受到压应力的作用发生变形，引起材料内部的磁通密度发生改变的现象)会使得超磁致伸缩棒8受到外力的作用时，磁化状态发生改变，基于电磁感应定律，变化的磁场会产生电场，而导体线圈9回路面积S内的磁通量Ф发生变化时，回路中就会产生感应电动势E，因此，当输入顶杆5向下压超磁致伸缩棒8时，壳体4内的线圈9会产生感应电动势，并通过导线10与外部电路连接，用于对外部的微型机电设备供电；

综上所述，无论外界振动源带动输入曲杆1向哪个方向振动，本发明中的装置均能收集振动能量，实现双向振动能量的收集，以简谐振动来讲，在x-t坐标图中，当x为负时，即外界振动源使得输入曲杆1向下运动，通过凸轮3完成对超磁致伸缩棒8的应力载荷的施加；而当x为正时，即外界振动源使得输入曲杆1向上运动，同样凸轮3也会完成对超磁致伸缩棒8的应力载荷的施加。如此可以使得本发明中的装置受到的输入能量呈现连续周期性进行，也同样使得能量收集装置的输出呈现连续的周期性进行。

而现有的能量收集装置主要由外界直接输入振动力，也即在简谐振动中的x-t坐标图上只有t轴以下x为负的激振位移为有效激振位移，即现有的能量收集装置只能收集一个振动方向上的振动能量，能量利用率低，本发明却能够将整个x-t坐标图上的x的非零值全部转化为有效的激振位移，振动能量利用率大大提高。

在本发明中，壳体4包括上端盖41和下端盖42，上端盖41和下端盖42通过螺纹连接并旋紧，输入顶杆5、线圈骨架7、超磁致伸缩棒8、线圈9和导线10位于上端盖41和下端盖42形成的空间内，上端盖41的顶部设有通孔，输入顶杆5的另一端穿过上端盖41顶部的通孔与凸轮3接触，其中，输入顶杆5的外壁设有卡环51，输入顶杆5的另一端依次穿过碟形弹簧6和上端盖41顶部的通孔与凸轮3接触，碟形弹簧6位于卡环51与上端盖41之间。其中，固定轴2可以通过一个连接杆件与上端盖41或者下端盖42固连，保证固定轴2相对于外界振动源静止，或者将固定轴2固定在其他相对于外界振动源静止的物体上。

在本发明中，为了提高能量转换效率，还可以在壳体4内布置两个环形永磁体，两个环形永磁体分别为第一环形永磁体13和第二环形永磁体14，第一环形永磁体13位于线圈骨架7和上端盖41之间，第二环形永磁体14位于线圈骨架7和下端盖42之间，两个环形永磁体可以提供偏置磁场，改善超磁致伸缩棒8的机电耦合关系，提高能量转换效率。

在本发明中，还可以在壳体4内安装调节螺钉15、六角螺母16和防松螺钉17，且调节螺钉15与超磁致伸缩棒8的底部接触，下端盖42的底部设有螺纹孔，六角螺母16位于螺纹孔内，防松螺钉17连接六角螺母16和调节螺钉15，防松螺钉17能够防止调节螺钉15松弛，通过调节螺钉15和碟形弹簧6为超磁致伸缩棒8提供预应力，保证超磁致伸缩棒8工作在合适的变形范围内，并防止其受到拉应力或切向应力作用而断裂。

优选地，在本发明中，调节螺钉15与超磁致伸缩棒8底部接触的一端为外凸的弧形面，输入顶杆5与超磁致伸缩棒8顶部接触的一端为外凸的弧形面，如此能够进一步保证力的传递方向沿着超磁致伸缩棒8的轴线方向，增大压应力。

在本发明中个，装置还可以包括导轨18，导轨18固定在固定轴2之上，导轨18可以与其他相对于外界振动源静止的物体固连，输入曲杆1的直杆段11位于导轨18内且能沿着导轨18做上下运动，导轨18能够保证输入曲杆1的几何平移，增强稳定性。

本发明中的装置结构较简单，体积小，能够实现对生产生活中机械振动的能量收集和减振及电器件自供能，能够大幅提升对振动能量的吸收与收集能力，不论振动方向是向上还是向下，凸轮3使得能量采集装置在整个振动周期内持续稳定高效的工作，可以在相同环境下实现能量收集的倍增，本装置可以模块化组装，按照实际情况组合使用，对电子元器件自供能具有广泛应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。