自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置制造方法及图纸

一种自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，悬臂梁截面呈矩形，悬臂梁的尾部有配重，在配重上安装固定两个悬臂梁磁轭；靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，感应线圈两引出端接能量收集电路。本实用新型专利技术能量转换效率较高、振动阻尼较小。

Free end magnetic circuit adjusting cantilever energy collection device

The utility model relates to a free-end magnetic circuit adjusting vibration energy collection device for a cantilever beam. One end of the cantilever beam is inserted and fixed at the fixed end of the cantilever beam. The cantilever beam has a rectangular cross-section, the tail of the cantilever beam has a counterweight, two cantilever yokes are fixed on the counterweight, and a permanent magnet fixed end is arranged near the free end of the cantilever beam and fixed on the permanent magnet. The left permanent magnet yoke and the right permanent magnet yoke are symmetrically installed at the end, and there is a gap between the left permanent magnet yoke and the right permanent magnet yoke. An induction coil is wound on the mounting shaft of the two coil brackets of the magnet yoke and the right permanent magnet yoke, and the two induction coils are connected with an energy collection circuit at the end of the lead-out. The utility model has higher energy conversion efficiency and smaller vibration damping.

【技术实现步骤摘要】
自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置
本技术涉及电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种利用悬臂梁振动收集能量的装置。
技术介绍
物联网和无线传感网络中存在大量分布的物联网节点与无线传感节点，上述节点均需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，由此产生某些负面影响：第一，电池电量有限，限制节点使用寿命；第二，化学电池引起的二次污染，对自然环境与其中的生物构成威胁。针对上述问题，研究能量收集技术以利用可再生能源实现物联网节点的自供电意义重大。在生活中可能遇到多种振动源，例如洗衣机振动主频率大于为110Hz，柴油机的典型振动频率为70Hz。许多学者致力于研究将振动能量收集转换为电能，根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式，其中静电式由于产生电量较低相关研究偏少。自然环境中振动也无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等。通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。上述2个问题，给自然环境次下能量收集带来一定难度，这是由于目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，同时自然环境振动的幅度远超过其运动部件的运动极限。于是，出现了悬臂梁振动能量收集结构，外界低频率、较大波幅的振动撞击悬臂梁，激励悬臂梁产生高频、较大振幅的自由振动的方式收集能量。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于小型电磁式振动能量收集装置的开发，于2007发表的论文BeebySP,TorahRN,TudorMJ,Glynne-JonesP,O'DonnellT,SahaCR,RoyS.Amicroelectromagneticgeneratorforvibrationenergyharvesting[J].JOURNALOFMICROMECHANICSANDMICROENGINEERING,2007,17:1257-1265，引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的悬臂梁式振动能量收集装置，包含一条作为弹性元件的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达428mV，功率46μW。2015发表的论文Li,Ping；Gao,Shiqiao；Cai,Huatong.Modelingandanalysisofhybridpiezoelectricandelectromagneticenergyharvestingfromrandomvibrations.MicrosystemTechnologies,2015,21(2):401-414，讨论了一种固支梁结构的振动能量收集装置，装置中具有电磁式和压电式两套独立的能量收集装置。除上述两篇论文，具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置尚有大量公开的文献，但均有共同的缺陷：第一，未实现闭合磁路，即磁力线在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，必然降低磁感应强度，对提高发电功率极为不利，反之，如果实现闭合磁路则将大幅提高发电功率；第二，装置中磁路(包括线圈)中部分元件参与振动，部分不参与，造成元件之间的磁力阻碍振动的问题。
技术实现思路
为了克服已有具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置的能量转换效率较低、振动阻尼较大的不足，本技术提供一种能量转换效率较高、振动阻尼较小的自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，所述悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，所述悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，从安装位置看，悬臂梁截面呈矩形，所述矩形宽度大于厚度，所述悬臂梁的尾部有配重，在所述配重上安装固定两个悬臂梁磁轭，所述悬臂梁磁轭为软磁材料制成，悬臂梁磁轭与配重的一侧端面贴合；靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间间隔气隙；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体，所述永磁体的两端分别为永磁体的N极和S极，永磁体的N极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁体磁轭上方线圈与右永磁体磁轭上方线圈的异名端作为两引出端接能量收集电路。进一步，从安装位置上看，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭与永磁体固定端上矩形盲孔底部接触面一侧各有一个矩形槽。再进一步，上方的线圈支架顶端和下方的线圈支架顶端均为斜面，使得当悬臂梁向上振动时，悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭与上方的线圈支架顶端之间的距离显著较小；当悬臂梁向下振动时，悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭与下方的线圈支架顶端之间的距离显著较小。更进一步，在永磁体固定端上矩形盲孔内通过螺钉紧定的方式，左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，螺钉为非磁性材料制成，在永磁体固定端、左永磁体磁轭和右永磁体磁轭上有相应的孔和螺孔。所述配重的上部和下部各有一个扁矩形通孔，在悬臂梁配重部分的两个扁矩形通孔内安装两个悬臂梁磁轭。所述永磁体为呈长方体形状。本技术讨论悬臂梁被外力激励后发生上下振动时的如下三种情况：第一，当悬臂梁处于平衡。装置中的磁路有两条：第一条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，上方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S极；第二条，从永磁体N极，经左永磁体磁轭、气隙，下方的悬臂梁磁轭、气隙、右永磁体磁轭，回到永磁体S极。上述两条磁路均各有两个气隙存在，并且此时气隙宽度较大，由于磁路中磁阻几乎完全来自气隙，因此磁路中磁阻很大，磁路中的磁感应强度相应很低，可以认为此时闭合磁路呈断开状态。第二，当悬臂梁向上振动弯曲，此时上述第一条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过线圈的磁链同样也急剧上升。而上述第二条磁路中两处气隙宽度相对第一种情况进一步扩张，闭合磁路仍然断开，并且磁阻进一步增大，磁路中的磁感应强度进一步降低。第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上述第二条磁路中两处气隙宽度急剧收窄，两处气隙磁阻急剧下降，磁路中的总磁阻急剧下降，闭合磁路导通，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过线圈的磁链同样也急剧上升。而上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，所述悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，所述悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，从安装位置看，悬臂梁截面呈矩形，所述矩形宽度大于厚度，所述悬臂梁的尾部有配重，其特征在于：在所述配重上安装固定两个悬臂梁磁轭，所述悬臂梁磁轭为软磁材料制成，悬臂梁磁轭与配重的一侧端面贴合；靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间间隔气隙；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体，所述永磁体的两端分别为永磁体的N极和S极，永磁体的N极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁体磁轭上方线圈与右永磁体磁轭上方线圈的异名端作为两引出端接能量收集电路。...

【技术特征摘要】
1.一种自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，所述悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，所述悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，从安装位置看，悬臂梁截面呈矩形，所述矩形宽度大于厚度，所述悬臂梁的尾部有配重，其特征在于：在所述配重上安装固定两个悬臂梁磁轭，所述悬臂梁磁轭为软磁材料制成，悬臂梁磁轭与配重的一侧端面贴合；靠近悬臂梁自由端有一永磁体固定端，在永磁体固定端上左右对称地安装固定左永磁体磁轭和右永磁体磁轭，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭为软磁材料制成，左永磁体磁轭和右永磁体磁轭之间有空隙；左永磁体磁轭和右永磁体磁轭靠近悬臂梁一侧各有两个上下分布的线圈支架；上方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重上部的悬臂梁磁轭，下方的线圈支架顶端正对安装于悬臂梁配重下部的悬臂梁磁轭，中间间隔气隙；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭安装永磁体，所述永磁体的两端分别为永磁体的N极和S极，永磁体的N极和S极分别与上述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭接触；所述左永磁体磁轭和右永磁体磁轭各自的两个线圈支架的安装轴上缠绕了一个感应线圈，安装于左永磁体磁轭或右永磁体上的两个线圈的一组同名端相接，左永磁体磁轭下方线圈与右永磁体磁轭下方线圈的异名端相接，剩余左永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张端，孙莹，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33