一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器的製造方法
2023-05-26 20:30:31
一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器。本實用新型中的一種技術方案包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、電磁體、上彈簧、下彈簧和箱體。兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間的一端安裝有第一電磁體，另一端接在串聯的上彈簧、下彈簧之間。另一種技術方案中將上彈簧、下彈簧替換為磁鐵對，並在該磁鐵對所在的槓桿一端設置相吸的電磁體。本實用新型利通過採用兩個超磁致伸縮薄膜諧振器對稱布置於槓桿一端的上下側方式，槓桿的一次擺動可以依次使得兩個超磁致伸縮薄膜諧振器受到激勵，由此，能量收集效率得到很大提高。
【專利說明】一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種能量收集裝置，具體涉及一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著無線電通訊與微機電系統(Micro-electro-mechanical System,MEMS)技術的不斷發展，使得微電子設備、微傳感器和可攜帶電子器件等微型機電設備的應用範圍不斷擴大，尤其在嵌入式系統、人體健康檢測系統、環境控制系統、野外動物跟蹤器件，以及軍事安全應用系統等方面得到了廣泛的應用。通常，這些設備依靠傳統電池提供能量，如鋰聚合物電池、鎳氫電池等。但傳統電池存在明顯的缺陷:一是相對於微型機電設備其體積仍然較大，限制了微型機電設備的進一步微型化；二是電池化學毒性汙染嚴重?』三是供能壽命有限。由於傳統電池這些的缺陷，各國研究者研究從周圍環境中收集能量，目的是取代傳統電池為微型機電設備供電。通常把利用一種系統從周圍環境中獲取能量並將其轉化為可利用能量的過程叫做能量收集，由於環境中振動能是最為常見且廣泛存在的一種能量存在形式，通過能量收集系統收集振動能，用於補充或取代電池具有極大的運用前景。21世紀以來，該研究方向已成為國際上的研究熱點。
[0003]傳統的振動能量收集方式有電磁式、靜電式、壓電式,其中壓電式的振動能量收集技術研究最多、應用最廣泛。但由於壓電材料硬而脆，其承受力的範圍有限、存在固有的極化現象、機電耦合係數較低、疲勞壽命短等因素的影響，使壓電材料在使用過程中需要經常更換，一定程度上限制了其應用。隨著超磁致伸縮材料的研製，基於超磁致伸縮材料的振動能量收集技術的研究已經成為國際上一個新的熱點。相對壓電材料，超磁致伸縮材料不存在去極化引起的失效問題，同時不存在疲勞、老化問題，因而工作更可靠；超磁致伸縮材料的機電耦合係數可達0.75 (壓電陶瓷PZT只有0.3-0.4)，能量轉換效率更高；它們的磁致伸縮應變量大，在室溫下大於0.15%，因而比壓電材料更靈敏，可在較小振幅下可產生更高的電壓。
[0004]目前，基於超磁致伸縮材料的能量收集裝置結構大多採用懸臂梁式，能量轉換是mW或μ W級別，且主要是針對高頻振動能量的收集，對周圍環境中更為普遍的低頻振動能量收集研究較少，如機械振動，路面激勵，土木結構中的振動能量。鑑於機械振動、路面激勵、土木結構中的地震或風振等振動能量較大，因此研究超磁致伸縮振動能量收集裝置在低頻振動時的發電特性會更有實際意義。
【發明內容】
[0005]本實用新型是為了解決在低頻振動下，現有的振動能量收集裝置轉換效率低的問題，提出一種高效率的基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器。
[0006]本實用新型的一種技術方案為:
[0007]本實用新型包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、第一電磁體、上彈簧、下彈簧和箱體。
[0008]兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一個側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，槓桿位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間的一端安裝有第一電磁體，另一端接在串聯的上彈簧、下彈簧之間，上彈簧和下彈簧構成彈簧組呈豎直設置。
[0009]所述的超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘、感應線圈、線圈骨架、超磁致伸縮薄膜、銅層和第二電磁體。銅層一端固定於側壁內，另一端與第二電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在牆座上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上。
[0010]所述的第一電磁體與第二電磁體相對面極性相同。
[0011]本實用新型的另一種技術方案為:
[0012]本實用新型包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、電磁體、彈簧和箱體。
[0013]兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，彈簧的一端固定在超磁致伸縮薄膜諧振器與基座之間的槓桿上，另一端固定在箱體底部上，槓桿的兩端安裝電磁體，與超磁致伸縮薄膜諧振器相對的另一側壁上安裝有電磁體對，槓桿的擺動同樣限位於電磁體對之間。
[0014]所述的超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘、感應線圈、線圈骨架、超磁致伸縮薄膜、銅層和電磁體。銅層一端固定於側壁內，另一端與電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在側壁上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上。
[0015]槓桿的一端上的電磁體與超磁致伸縮薄膜諧振器電磁體相對面極性相同，槓桿的另一端上的電磁體與電磁體對相對面極性相反。
[0016]本實用新型的有益效果:本實用新型利用所處環境中的低頻振動驅動槓桿擺動，通過槓桿將振動載荷施加於超磁致伸縮薄膜諧振器，在受到每次振動衝擊後，彈簧使得槓桿自身產生衰減擺動，從而施加於超磁致伸縮薄膜諧振器上的激勵頻率比振動源振動頻率增大數倍，每個超磁致伸縮薄膜諧振器在受到激勵後又產生衰減振動，從而超磁致伸縮薄膜諧振器上的振動頻率比振動源的振動頻率大大提高。通過採用兩個超磁致伸縮薄膜諧振器對稱布置於槓桿一端的上下側方式，槓桿的一次擺動可以依次使得兩個超磁致伸縮薄膜諧振器受到激勵，由此，能量收集效率得到很大提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的第一種技術方案結構示意圖。
[0018]圖2為本實用新型的第二種技術方案結構示意圖。
[0019]圖3為超磁致伸縮薄膜諧振器的平面結構示意圖。[0020]圖4為超磁致伸縮薄膜諧振器的三維模型示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體的實施例對本實用新型所述的適於從低頻振動中收集能量的於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器做詳細的說明:
[0022]如圖1所示，本實施例包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器1、槓桿3、鉸鏈支座4、第一電磁體2、上彈簧5、下彈簧6和箱體7。
[0023]兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一個側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，槓桿位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間的一端安裝有第一電磁體，另一端接在串聯的上彈簧、下彈簧之間，上彈簧和下彈簧構成彈簧組呈豎直設置。
[0024]如圖3和圖4所示，超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘8、感應線圈9、線圈骨架10、超磁致伸縮薄膜11、銅層12和第二電磁體13。銅層一端固定於側壁內，另一端與第二電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在牆座上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上。超磁致伸縮薄膜具有壓磁效應，也稱為維拉裡效應，即超磁致伸縮材料受到力的作用發生變形，會引起材料的磁化狀態發生變化，即內部磁場分布發生改變。如果超磁致伸縮棒外部有感應線圈，就會產生感應電動勢。第一電磁體2與第二電磁體13相對面都為N極。
[0025]當箱體受到振動衝擊時，槓桿發生上下擺動，從而槓桿一端的電磁鐵對超磁致伸縮薄膜諧振器產生排斥力，使得超磁致伸縮薄膜諧振器彎曲變形，從而使得銅層上的超磁致伸縮薄膜材料變形，由於超磁致伸縮材料的壓磁效應產生磁場變化，然後基於電磁感應原理，變化的磁場使得閉合線圈內產生感應電動勢，從而對外輸出電能。
[0026]如圖2所示，本實施例包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、電磁體、彈黃14和箱體。
[0027]兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，彈簧的一端固定在超磁致伸縮薄膜諧振器與基座之間的槓桿上，另一端固定在箱體底部上，槓桿的兩端安裝電磁體，與超磁致伸縮薄膜諧振器相對的另一側壁上安裝有電磁體對，槓桿的擺動同樣限位於電磁體對之間。
[0028]如圖3和圖4所示，超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘、感應線圈、線圈骨架、超磁致伸縮薄膜、銅層和電磁體。銅層一端固定於側壁內，另一端與電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在側壁上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上。
[0029]槓桿的一端上的電磁體與超磁致伸縮薄膜諧振器電磁體相對面都為N極，槓桿的另一端上的電磁體與電磁體對相對面極性相反，即相對面的極性為N-S-N。[0030]當箱體受到振動衝擊時，槓桿發生上下擺動，從而槓桿一端的電磁鐵對超磁致伸縮薄膜諧振器產生排斥力，使得超磁致伸縮薄膜諧振器彎曲變形，從而使得銅層上的超磁致伸縮薄膜材料變形，由於超磁致伸縮材料的壓磁效應產生磁場變化，然後基於電磁感應原理，變化的磁場使得閉合線圈內產生感應電動勢，從而對外輸出電能。
【權利要求】
1.一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器，包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、第一電磁體、上彈簧、下彈簧和箱體； 兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一個側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，槓桿位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間的一端安裝有第一電磁體，另一端接在串聯的上彈簧、下彈簧之間，上彈簧和下彈簧構成彈簧組呈豎直設置； 所述的超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘、感應線圈、線圈骨架、超磁致伸縮薄膜、銅層和第二電磁體；銅層一端固定於側壁內，另一端與第二電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在牆座上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上； 所述的第一電磁體與第二電磁體相對面極性相同。
2.一種基於超磁致伸縮薄膜的槓桿式振動能量收集器，包括兩個超磁致伸縮薄膜諧振器、槓桿、鉸鏈支座、電磁體、彈簧和箱體； 兩個超磁致伸縮薄膜諧振器位於槓桿一側，槓桿的擺動限位於兩個超磁致伸縮薄膜諧振器之間，超磁致伸縮薄膜諧振器固定安裝在箱體一側壁上；槓桿中點與鉸鏈支座通過銷連接，槓桿繞銷軸上下擺動，鉸鏈支座固定安裝在箱體底部上，彈簧的一端固定在超磁致伸縮薄膜諧振器與基座之間的槓桿上，另一端固定在箱體底部上，槓桿的兩端安裝電磁體，與超磁致伸縮薄膜諧振器相對的另一側壁上安裝有電磁體對，槓桿的擺動同樣限位於電磁體對之間； 所述的超磁致伸縮薄膜諧振器包括緊固螺釘、感應線圈、線圈骨架、超磁致伸縮薄膜、銅層和電磁體；銅層一端固定於側壁內，另一端與電磁體剛性連接為一體，超磁致伸縮薄膜粘結在銅層上；線圈骨架套在超磁致伸縮薄膜與銅層上，並通過緊固螺釘連接在側壁上；感應線圈繞在線圈骨架上，並外接至調節電路，然後連接到微型機電設備或儲能器上； 槓桿的一端上的電磁體與超磁致伸縮薄膜諧振器電磁體相對面極性相同，槓桿的另一端上的電磁體與電磁體對相對面極性相反。
【文檔編號】H02K35/00GK203708139SQ201320894746
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】孟愛華, 劉成龍, 陳文藝, 楊劍鋒, 祝甲明 申請人:杭州電子科技大學