一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置

摘要

本发明涉及一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置，包括基座(1)，固定在基座(1)上的主梁(2)，以及与主梁(2)的自由端垂直连接的第一副梁(3)和第二副梁(4)，所述第一副梁(3)的自由端上设有感应线圈(6)，所述第二副梁(2)的自由端连接空心六棱柱(7)，所述空心六棱柱(7)的六棱柱面对应第一副梁(3)设置，所述空心六棱柱(7)的内表面设有永磁阵列(8)。与现有技术相比，本发明具有拓宽单自由度悬臂梁式能量采集装置的工作频带、提高能量采集效率等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及能源回收技术领域，尤其是涉及一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置。

背景技术

能源危急是当今世界最为关注的问题之一，各国科技工作者一直在努力寻找和开发新型能源来解决能源缺乏和使用传统能源时存在的问题，环境中潜在可用的能源有：太阳能、振动、噪声、温差等等，其中振动能几乎无处不在，且具有较高的能量密度。以地铁系统为例，地铁在运行过程中产生很大的振动能量通过轮轨噪声向外界辐射，造成大量的能量损失。

目前研究的振动能量采集器主要有三种转换形式：压电式、电容式与电磁式。其中，电磁式振动能量采集器的基本原理是法拉第电磁感应定律，即当穿过闭合回路所围成面积的磁通量发生变化时，回路中便会产生感应电动势；相比于压电式和电容式振动能量采集器，电磁式振动能量采集器的优势在于体积较小，感测频率较高、工艺可与半导体技术兼容、无需外界驱动、可在各种恶劣环境中使用等。目前的电磁式振动能量采集器多为单自由度模型，即单自由度直角悬臂梁式振动能量采集器，然而单自由度模型只能集中在单一频率附近采集能量，具有很大局限性，无法适应复杂多变的振动环境，且能量输出效率低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置，该装置通过引入双自由度和Halbach阵列，保留了悬臂梁振动能量收集器优点的同时，拓宽了振动能量采集器的工作频带，并提高了能量输出效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置，包括基座，固定在基座上的主梁，以及与主梁的自由端分别垂直连接的厚度及质量均不相同的第一副梁和第二副梁，所述第一副梁的自由端上设有感应线圈，所述第二副梁的自由端连接空心六棱柱，所述空心六棱柱的六棱柱面对应第一副梁设置，所述空心六棱柱的内表面设有永磁阵列。

进一步地，所述空心六棱柱为中空的直六棱柱结构，空心六棱柱的截面为中空的正六边形结构，空心六棱柱的中空部分为正六边形结构。

进一步地，所述空心六棱柱的内表面内部附着有六个永磁阵列，每个永磁阵列位于空心六棱柱内表面的中心位置所述永磁阵列设于空心六棱柱各侧面的内表面中心处。

进一步地，所述第一副梁的自由端的顶部设有铁芯，所述感应线圈缠绕在铁芯上。

进一步地，所述铁芯的底面与所述空心六棱柱的六棱柱面的中心位置对应设置。

进一步地，所述永磁阵列采用Halbach永磁阵列。

进一步地，所述永磁阵列采用直线型Halbach永磁阵列。

进一步地，所述永磁阵列与空心六棱柱之间，所述铁芯与第一副梁之间通过环氧胶黏贴连接。

进一步地，所述第一副梁的顶部表面与所述第二副梁的顶部表面位于同一平面。

进一步地，所述第二副梁的自由端与空心六棱柱焊接连接。

若本发明装置受到外部激励后，装置的第一副梁与第二副梁会随之发生运动，和第二副梁连接的空心六棱柱上的永磁阵列与第一副梁上的感应线圈产生相对运动，感应线圈上的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律使感应线圈两端产生感应电动势。装置中的永磁阵列采用直线型Halbach阵列，在空心六棱柱的内部形成单边磁场，能够在感应线圈中产生比较大的磁链变化梯度，从而提高能量采集的效率。

本发明提供的基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明采用双自由度悬臂梁结构进行能量采集，悬臂梁结构由于结构简单、刚度低，实际环境中易实现，可在较低的振动频率下获得较大的输出功率，另外，单自由度能量采集器只能在某一固定的共振频率工作，而本发明双自由度能量采集器能有两个共振频率，因此能够提高能量采集装置的工作带宽，即本发明既保证了直角悬臂梁振动能量采集器的优点，也拓宽了单自由度悬臂梁式能量采集装置的工作频带，能够更好地适应实际中复杂多变的振动环境；

2)采用了直线型Halbach阵列的方式，能够在感应线圈中产生比较大的磁链变化梯度，从而提高能量采集的效率；

3)直线型Halbach永磁阵列采用的永磁体材料为NdFeB，该材料具有较高的最大磁能积，因此同样的电场强度下需要的永磁材料的体积越小，有利于节约材料，减小整个装置的体积；

4)本发明结构简单、可靠性高，在节能减排方面有积极意义。

附图说明

图1为实施例中基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置的三维结构示意图；

图2为实施例中基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置的右视结构示意图；

图中标号所示：

1、基座，2、主梁，3、第一副梁，4、第二副梁，5、铁芯，6、感应线圈，7、空心六棱柱，8、永磁阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

Halbach阵列(海尔贝克阵列(Halbach Array))是一种新型永磁体排列方式，该阵列是工程上的近似理想结构，利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向上的场强。该阵列结构通过将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列一边的磁场显著增强，而另一边显著减弱，且容易得到在空间较理想争先分布的磁场。

本发明根据Halbach阵列的原理提供一种基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置，如图1所示，该装置包括基座1、主梁2、第一副梁3、第二副梁4、铁芯5和感应线圈6。

主梁2固定在基座1上，主梁2为标准的矩形截面悬臂梁。主梁2的底部与基座1相连，顶部与两个副梁3、4相连。第一副梁3为一个矩形截面悬臂梁，第一副梁3的一端与主梁2的顶部垂直连接，另一端的上方固定一个铁芯5，铁芯5外围缠绕感应线圈6。

第二副梁4有两根，第二副梁4为矩形截面悬臂梁。两根第二副梁4分别设置在第一副梁3的两侧。每根第二副梁4的一端与主梁2的顶部垂直相连，另一端连接空心六棱柱7。第二副梁4与空心六棱柱7采用焊接工艺连接在一起，构成一个刚体。第一副梁3的顶部表面与第二副梁4的顶部表面位于同一平面，但厚度不同，从而两个梁的刚度不同。此外，第一副梁3与两个第二副梁4的质量不同。因第一副梁3与第二副梁4的刚度不同，且质量不同，因此使得整体装置结构振动时具有两个固有频率，因此本发明装置为双自由度系统。

空心六棱柱7为中空的直六棱柱结构，空心六棱柱7的截面为中空正六边形，其中空部分同样为正六边形结构，空心六棱柱7的相邻两个侧面之间的夹角为120度，空心六棱柱7的两个六棱柱面对应第一副梁3的端部设置。两根第二副梁4的另一端分别固定在空心六棱柱7上任意对称设置的两个柱边上。空心六棱柱7的六个侧面的内壁上附着有六个永磁阵列8，每个永磁阵列8分别位于空心六棱柱7六条棱柱边的六个侧面的内壁的中心位置。永磁阵列8采用Halbach阵列排布，Halbach永磁体阵列能够将不同磁化方向的永磁体按照一定规律排布，使得少量的永磁体能够产生比较强的单边磁场，从而增加空间利用效率，提高能量采集效率。

在本实施例中，作为优选方案，永磁阵列8采用直线型Halbach永磁阵列。直线型Halbach永磁阵是最基础的Halbach阵列组成形式，这种阵列磁体可视为一种径向阵列与切向阵列的结合，直线型Halbach永磁阵列在磁铁的上表面能够产生较大的磁链变化梯度，有效增强了单边磁场，在能量回收中具有比较明显的优势。作为本实施例的进一步的实施方案，直线型Halbach永磁阵列采用的永磁体材料为NdFeB，该材料具有较高的最大磁能积(BH积)；因此同样的电场强度下需要的永磁材料的体积越小，这有利于节约材料，减小器件的体积。

本发明将感应线圈6缠绕在铁芯5外部的作用是通过铁芯5增加磁场强度，铁芯5能够把感应线圈6周围的磁力线都集中，从铁芯5中流通。在本实施例中，作为优选方案，铁芯5的材料采用硅钢，硅钢有着较高的磁导率和较窄的磁滞回线，导磁材料不容易饱和，同样输出功率的情况下硅钢制成的铁芯体积可以做的更小。作为优选方案，感应线圈6为多层线圈结构，线圈材料为铜。

在本发明中，第一副梁3的一端与主梁2的顶部的中央位置连接，两根第二副梁4对称设置在第一副梁3的两侧，使得第一副梁3上的铁芯5对应于空心六棱柱7的中心位置，如图2所示。

本发明基于Halbach阵列的双自由度振动能量采集装置的工作原理为：

若本发明装置受到外部激励后，装置的第一副梁3与第二副梁4会随之发生运动，与第二副梁4连接的空心六棱柱7上的永磁阵列8与第一副梁3上的感应线圈6产生相对运动，感应线圈6上的磁通量就会发生变化，根据法拉第电磁感应定律使感应线圈6两端产生感应电动势。装置中的永磁阵列8采用直线型Halbach阵列，在空心六棱柱7的内部形成单边磁场，它能够在感应线圈6中产生比较大的磁链变化梯度，从而提高能量采集的效率。

作为本发明的进一步技术方案，铁芯5和与第一副梁3之间、永磁阵列8与空心六棱柱7的内表面之前采用环氧胶黏贴；环氧胶具有耐水、耐化学腐蚀、晶莹剔透等特点；且环氧胶具有高介电性能、耐表面漏电的性能，将其使用在铁芯5的底部能起到绝缘的作用，能够有效防止感应线圈6与悬臂梁(第一副梁3)接触产生漏电，进一步有助于提高能量采集效率。

作为本发明的进一步技术方案，主梁2与第一副梁3、第二副梁4的材料均选择为弹簧钢。弹簧钢具有高抗拉强度、弹性极限、以及高疲劳强度。可以保证主梁与副梁在高频振动下不会发生疲劳破坏。

本发明采用双自由度悬臂梁结构进行能量采集，悬臂梁结构由于结构简单、刚度低，实际环境中易实现，可在较低的振动频率下获得较大的输出功率，另外，单自由度能量采集器只能在某一固定的共振频率工作，而本发明双自由度能量采集器能有两个共振频率，因此能够提高能量采集装置的工作带宽，即本发明既保证了直角悬臂梁振动能量采集器的优点，也拓宽了单自由度悬臂梁式能量采集装置的工作频带，能够更好地适应实际中复杂多变的振动环境。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。