一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置

1.本发明属于能量收集与利用技术领域，具体地涉及一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置。


背景技术：

2.随着互联网+的不断发展以及大量无线传感器设备的普及应用，远程监测需求不断增加。目前市面上传感器种类繁多且集成化程度低，大部分采取一次性电池供电的方式，且无法外接电源维持设备长时间自主工作运行。因此需要定期手动更换电池，不仅耗时耗力，废弃电池也会对环境造成严重的污染。而且有线供电的传感器灵活性较差，操作难度大，大大提高了设备的维护周期和运营成本。因此，为了解决以上技术问题，需要一种节能可持续的自主供电模式来提高设备的可靠性和稳定性。
3.目前，多种新型能源可以作为供电能源利用，如光能、风能、地热能、和核聚变能等，新型能源使得发电技术得到稳定的发展。近几年来，用于外界环境振动的能量收集一直是众多学者研究的方向。环境中存在丰富的持续或间歇性的振动，例如人体振动、交通工具行驶中的颠簸振动、强风中的高楼、工作中的机器以及桥梁振动等。目前振动能量收集技术主要有四种: 电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式。电磁式结构尺寸大、输出电压低；静电式需要外部电源、转换效率低；压电式转换效率高、主要配置简单、但是电荷泄露、灵敏度低、材料脆易疲劳。磁致伸缩材料具有双向可逆换能效应，当磁致伸缩材料受到外界力作用，磁致伸缩材料将发生磁致伸缩逆效应，引起材料内部的磁化强度和磁通量发生变化。此时，再通过拾取线圈利用法拉第电磁感应效应，将变化的磁通量转换成线圈的感应电压，实现振动能向电能的转换。在此过程中存在两个阶段的能量转换：磁致伸缩材料在外界力作用下产生机械弯曲，其内部磁化强度和磁通量发生变化，该过程实现了振动机械能转化为磁能；变化的磁通量，使得拾取线圈中产生感应电压，该过程实现了磁能转化为电能。磁致伸缩振动能量收集技术相比于其它三种振动能量收集方式具有响应速度快、电荷不易流失、能量密度高、机电耦合效率高等优点。磁致伸缩振动能量收集技术可以有效提高自然界中振动的利用率，将机械能高效转换为电能，是一种符合现代企业可持续发展理念的绿色方案。
4.目前针对能量收集装置的研究主要是在机械共振下应用的，将能量收集器的使用场合限制在高频、持续稳定的振动条件下。例如在2022年微电子学杂志第52卷5期发表的梯形悬臂梁结构能量收集器的设计与研究被提出，在共振下对其输出特性进行分析，能量收集器在124hz的1g加速度下，产生41.4μw的功率。在2015年smart materials and structures杂志第24卷12期发表的磁致伸缩能量收集器的建模与设计，最大平均功率密度为24.4mw/cm3。然而，在自然界中振动能一般具有时变、低频、微弱等特点，导致了磁致伸缩式振动能量收集器随着激励频率的降低，其输出功率急剧下降。为了提高低频收集性能，需要设计一种将环境中的低频振动高效的转换为磁致伸缩元件高频振动的装置。但目前，利用磁致伸缩薄膜材料将环境中的低频振动转换为磁致伸缩元件的多次高频振动的研究，却
鲜有报道。


技术实现要素：

5.本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供了一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置；本发明能够将环境中的一次低频振动充分转换成磁致伸缩双悬臂梁的多次高频摆动，双倍多次利用环境低频振动、高效输出电能。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
7.本发明提供一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，包括下底板，所述下底板上部固定有支撑机构，所述支撑机构上部对称穿入并固定有两个定位板，所述支撑机构在两个所述定位板以上的部分均套设有压缩弹簧，全部所述支撑机构顶部共同套设有上盖板，所述上盖板能够沿所述支撑机构上下移动，所述压缩弹簧的两端分别与所述上盖板和所述定位板接触，所述支撑机构在所述上盖板上方均连接有限位块，所述上盖板中部连接有固定机构，所述固定机构上连接并固定有拉伸弹簧的一端，所述拉伸弹簧的另一端连接有质量块，所述质量块上对称设置有两个滚柱组机构，两个所述定位板内侧均通过条形板固定夹有能量收集输出机构，两个所述能量收集输出机构与两个所述滚柱组机构一一对应，所述支撑机构两外侧均设置有条形磁铁，所述条形磁铁与所述能量收集输出机构一一对应。
8.进一步地，所述支撑机构包括四个等高的支撑柱，四个所述支撑柱平均分成两组对称布置在所述底板的两侧。
9.进一步地，所述支撑机构为螺柱，所述限位块为螺母，全部所述螺母配合拧在对应的所述螺柱上并等高固定，全部所述螺母均顶在所述上盖板的上侧对所述上盖板的上移进行限位。
10.进一步地，所述固定机构包括固定螺栓、l形块、侧方块，所述固定螺栓螺纹配合地连接在所述上盖板中部并穿过所述上盖板，所述固定螺栓与所述l形块一侧面连接固定，所述l形块的另一侧面与所述侧方块同时穿过螺栓，所述螺栓上在所述l形块与所述侧方块之间连接所述拉伸弹簧的一端，所述螺栓配合设置螺母，所述螺母拧紧使所述l形块与所述侧方块将所述拉伸弹簧的端部夹紧。
11.进一步地，所述能量收集输出机构包括磁致伸缩薄膜上层、磁致伸缩薄膜下层、不锈钢衬层和拾取线圈，所述磁致伸缩薄膜上层与磁致伸缩薄膜下层形状相同，所述不锈钢衬层包括横板部和凸起部，所述磁致伸缩薄膜上层与磁致伸缩薄膜下层将所述不锈钢衬层的所述横版部夹住并共同构成一个三明治结构，并同时被对应的所述定位板与所述条形板夹住固定，所述拾取线圈缠绕在所述三明治结构的外部。
12.再进一步地，所述拾取线圈的缠绕区间位于所述定位板下端与所述磁致伸缩薄膜上层的下端之间。
13.再进一步地，所述滚柱组机构均包括两个多孔板和多个滚柱，两个所述多孔板分别分布在所述质量块两侧并均与所述质量块通过螺栓固定，全部滚柱同列平行地插在两个所述多孔板之间，所述滚柱均能够以自身中轴为轴转动，所述不锈钢衬层的所述凸起部能够触碰对应的所述滚柱组机构的所述滚柱，使所述滚柱转动。
14.再进一步地，所述条形磁铁对应所述能量收集输出机构的所述拾取线圈的缠绕区
间内。
15.本发明的有益效果。
16.本发明通过拉伸弹簧带动质量块运动，并带动滚柱组机构与能量收集输出机构发生一系列碰撞，将环境中的一次低频振动转换成能量收集输出机构的多次高频振动，以条形磁铁为能量收集输出机构提供预磁化磁场，用能量收集输出机构拾取产生电能，双倍多次充分利用环境的低频振动，提高对环境低频振动能量采集的性能及电能转换效率。
附图说明
17.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.图1为本发明的整体立体结构示意图。
19.图2为本发明的整体侧视示意图。
20.图3为本发明的不锈钢衬层的结构示意图。
21.图4是本发明的能量收集输出机构除去拾取线圈后的结构示意图。
22.图5是本发明的l形块的侧剖面图。
23.图6是本发明的质量块的侧视图。
24.图7是本发明的质量块的另一侧剖视图。
25.图8是本发明的多孔板的结构示意图。
26.图中标记：1为下底板、2为支撑机构、3为定位板、4为滚柱、5为压缩弹簧、6为上盖板、7为限位块、8为拉伸弹簧、9为质量块、10为条形板、11为条形磁铁、12为固定螺栓、13为l形块、14为侧方块、15为磁致伸缩薄膜上层、16为磁致伸缩薄膜下层、17为不锈钢衬层、18为拾取线圈、19为横板部、20为凸起部、21为多孔板。
具体实施方式
27.结合附图所示，本实施方式提供了一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，包括下底板1，下底板1上部固定有支撑机构2，支撑机构2为螺柱，支撑机构2包括四个等高的支撑柱，四个支撑柱平均分成两组对称布置在底板的两侧，支撑柱通过螺纹结构连接在底板上。
28.支撑机构2上部对称穿入并固定有两个定位板3，每组支撑柱上分别安装一个定位板3，支撑机构3在两个定位板3以上的部分均套设有压缩弹簧5，全部支撑机构2上共同套设有上盖板6，上盖板6能够沿支撑机构2上下移动，压缩弹簧5的两端分别与上盖板6和定位板3接触，当有振动作用在上盖板6上时，上盖板6沿着支撑机构2的轴向进行移动，对压缩弹簧5有压缩作用。
29.支撑机构2在上盖板6上方均连接有限位块7，限位块7为螺母，全部螺母配合拧在对应的螺柱上并等高固定，全部螺母均顶在上盖板6的上侧对上盖板6的上移进行限位。
30.上盖板6中部连接有固定机构，固定机构包括固定螺栓12、l形块13、侧方块14，固定螺栓12螺纹配合地连接在上盖板6中部并穿过上盖板6，固定螺栓12与l形块13一侧面连接固定，l形块13的另一侧面与侧方块14同时穿过螺栓，螺栓上在l形块13与侧方块14之间
连接拉伸弹簧8的一端，螺栓配合设置螺母，螺母拧紧使l形块13与侧方块14将拉伸弹簧8的端部夹紧，以固定拉伸弹簧8上端。
31.拉伸弹簧8的另一端连接有质量块9，质量块9为轴对称结构，质量块9的上端中心圆柱上的通孔与拉伸弹簧8的下端进行连接。
32.质量块9上对称设置有两个滚柱组机构，滚柱组机构均包括两个多孔板21和多个滚柱4，两个多孔板21分别分布在质量块9两侧并均与质量块9通过螺栓固定，质量块9的前后两面对称的八个螺纹孔与总共的四个多孔板21上的大通孔通过螺栓进行固定，多孔板21上的小孔与滚柱4的两端进行连接，全部滚柱4同列平行地插在两个多孔板21之间，滚柱4均能够以自身中轴为轴转动，当有振动作用在上盖板6上时，上盖板6沿着支撑机构2的轴向进行移动，带动拉伸弹簧8上连接的质量块9、多孔板21与滚柱4共同进行上下移动。
33.两个定位板3内侧均通过条形板10固定夹有能量收集输出机构，能量收集输出机构包括磁致伸缩薄膜上层15、磁致伸缩薄膜下层16、不锈钢衬层17和拾取线圈18。
34.磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16为形状相同的长方形薄片状，为核心元件，磁致伸缩薄膜为公开材料，在此不再详细介绍。
35.采用拾取线圈18将磁通量变化转化为电压，实现了将一次低频冲击振动高效转换成多次高频振动而产生电能输出的能量收集过程。
36.为了保证内部磁路均匀，磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16使用不锈钢衬层17作为衬底，不锈钢衬层17包括横板部19和凸起部20，磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16将不锈钢衬层17的横版部夹住并共同构成一个三明治结构，并同时被对应的定位板3与条形板10夹住固定，而不锈钢衬层17的凸起部20一端为自由端。
37.两个能量收集输出机构与两个滚柱组机构一一对应，凸起部20能够触碰对应的滚柱组机构的滚柱4，使滚柱4转动。能够通过拉伸弹簧8带动质量块9和滚柱组机构运动，滚柱组机构的滚柱4和能量收集输出机构的凸起部20发生一系列碰撞，将环境中的一次低频振动转换成两个能量收集输出机构的多次高频振动。
38.拾取线圈18缠绕在三明治结构的外部，缠绕区间位于定位板3下端与磁致伸缩薄膜上层15的下端之间。
39.滚柱4与凸起部20发生碰撞后，不锈钢衬层17的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16上，磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16将做自由振荡摆动，磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16在动过程中产生的弯曲变形引起磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16内部的磁化状态发生变化，即磁通发生变化，磁通变化的作用将在取线圈中产生感应电压，感应电压则通过拾取线圈18传递到外界。
40.支撑机构2两外侧均设置有条形磁铁11，条形磁铁11与能量收集输出机构一一对应，条形磁铁11对应能量收集输出机构的拾取线圈18的缠绕区间内。两侧的条形磁铁11分别为两个能量收集输出机构的磁致伸缩薄膜上层15与磁致伸缩薄膜下层16提供预磁化磁场。
41.本发明利用的原理为：根据磁致伸缩材料的逆效应，当磁致伸缩薄膜受到作用于表面的振动力的作用时，磁致伸缩薄膜的尺寸形状将发生变化，进而导致磁致伸缩薄膜内部的磁化状态发生变化，即内部的磁通量发生变化，从而引起拾取线圈中发生法拉第电磁
效应，使拾取线圈中产生电压。
42.本发明的工作原理如下：当有振动作用在上盖板6上时，上盖板6和压缩弹簧5沿着支撑机构2的轴向进行移动，对压缩弹簧5有压缩作用以及带动拉伸弹簧8上连接的质量块9、多孔板21与滚柱4共同进行上下移动。
43.通过多个同列的滚柱4与能量收集输出机构底端的凸起部20发生一系列冲击，将作用在上盖板6上的一次低频振动通过转换成能量收集输出机构的多次高频振动，将机械能转换为电能。
44.因此，实现了将环境中的一次低频振动转换成多次高频振动，进而使双能量收集输出机构产生多次高频自由振动，达到更高效率的振动收集与发电的过程。
45.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，包括下底板（1），所述下底板（1）上部固定有支撑机构（2），所述支撑机构（2）上部对称穿入并固定有两个定位板（3），所述支撑机构（2）在两个所述定位板（3）以上的部分均套设有压缩弹簧（5），全部所述支撑机构（2）顶部共同套设有上盖板（6），所述上盖板（6）能够沿所述支撑机构（2）上下移动，所述压缩弹簧（5）的两端分别与所述上盖板（6）和所述定位板（3）接触，所述支撑机构（2）在所述上盖板（6）上方均连接有限位块（7），所述上盖板（6）中部连接有固定机构，所述固定机构上连接并固定有拉伸弹簧（8）的一端，所述拉伸弹簧（8）的另一端连接有质量块（9），所述质量块（9）上对称设置有两个滚柱组机构，两个所述定位板（3）内侧均通过条形板（10）固定夹有能量收集输出机构，两个所述能量收集输出机构与两个所述滚柱组机构一一对应，所述支撑机构（2）两外侧均设置有条形磁铁（11），所述条形磁铁（11）与所述能量收集输出机构一一对应。2.根据权利要求1所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述支撑机构（2）包括四个等高的支撑柱，四个所述支撑柱平均分成两组对称布置在所述底板的两侧。3.根据权利要求1所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述支撑机构（2）为螺柱，所述限位块（7）为螺母，全部所述螺母配合拧在对应的所述螺柱上并等高固定，全部所述螺母均顶在所述上盖板（6）的上侧对所述上盖板（6）的上移进行限位。4.根据权利要求1所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述固定机构包括固定螺栓（12）、l形块（13）、侧方块（14），所述固定螺栓（12）螺纹配合地连接在所述上盖板（6）中部并穿过所述上盖板（6），所述固定螺栓（12）与所述l形块（13）一侧面连接固定，所述l形块（13）的另一侧面与所述侧方块（14）同时穿过螺栓，所述螺栓上在所述l形块（13）与所述侧方块（14）之间连接所述拉伸弹簧（8）的一端，所述螺栓配合设置螺母，所述螺母拧紧使所述l形块（13）与所述侧方块（14）将所述拉伸弹簧（8）的端部夹紧。5.根据权利要求1所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述能量收集输出机构包括磁致伸缩薄膜上层（15）、磁致伸缩薄膜下层（16）、不锈钢衬层（17）和拾取线圈（18），所述磁致伸缩薄膜上层（15）与磁致伸缩薄膜下层（16）形状相同，所述不锈钢衬层（17）包括横板部（19）和凸起部（20），所述磁致伸缩薄膜上层（15）与磁致伸缩薄膜下层（16）将所述不锈钢衬层（17）的所述横版部夹住并共同构成一个三明治结构，并同时被对应的所述定位板（3）与所述条形板（10）夹住固定，所述拾取线圈（18）缠绕在所述三明治结构的外部。6.根据权利要求5所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述拾取线圈（18）的缠绕区间位于所述定位板（3）下端与所述磁致伸缩薄膜上层（15）的下端之间。7.根据权利要求6所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述滚柱组机构均包括两个多孔板（21）和多个滚柱（4），两个所述多孔板（21）分别分布在所述质量块（9）两侧并均与所述质量块（9）通过螺栓固定，全部滚柱（4）同列平行地插在两个所述多孔板（21）之间，所述滚柱（4）均能够以自身中轴为轴转动，所述不锈钢衬层（17）的所述凸起部（20）能够触碰对应的所述滚柱组机构的所述滚柱（4），使所述滚柱（4）转动。
8.根据权利要求7所述的一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置，其特征在于，所述条形磁铁（11）对应所述能量收集输出机构的所述拾取线圈（18）的缠绕区间内。

技术总结
一种压磁低频振动能量高效收集双输出装置属于能量收集与利用技术领域。本发明包括下底板，所述下底板上部固定有支撑机构，所述支撑机构上部对称穿入并固定有两个定位板，所述支撑机构在两个所述定位板以上的部分均套设有压缩弹簧，全部所述支撑机构顶部共同套设有上盖板，所述上盖板能够沿所述支撑机构上下移动，所述压缩弹簧的两端分别与所述上盖板和所述定位板接触，所述支撑机构在所述上盖板上方均连接有限位块，所述上盖板中部连接有固定机构，所述固定机构上连接并固定有拉伸弹簧的一端。本发明能够将环境中的一次低频振动充分转换成磁致伸缩双悬臂梁的多次高频摆动，双倍多次利用环境低频振动、高效输出电能。高效输出电能。高效输出电能。


技术研发人员：魏霖茹 刘慧芳 王文国 李文成 赵璐瑶 尹小歌
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/7