一种多层级联的磁-力-电磁场能量收集器及其制造方法技术

本发明专利技术提出了一种多层级联的磁

【技术实现步骤摘要】
一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器及其制造方法


[0001]本专利技术属于空间磁场俘能领域，特别涉及一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器及其制造方法
。

技术介绍

[0002]目前，随着物联网的日益普及，无线传感器网络在电网监测系统中受到了越来越多的关注，而供电问题却一直制约着传感器的应用与发展
。
传统的无线传感器节点主要由电池供电，但电池容量有限且更换维护困难，难以实现大规模传感网络的常态部署
。
而在电力应用场景中，输电
/
配电线路周围广泛分布着频率为
50Hz
的杂散磁场
(<1mT
或
<10Oe)
，为智能电网中的无线传感器节点提供了可靠的能量来源
。
最常见的磁场取能技术是基于法拉第感应定律，按部署方式分为侵入式和非侵入式两种
。
侵入式取能，依靠闭合线圈，取能功率较高，但可操作性差，且后期维护成本较高；非侵入式取能，安装时不破坏原有系统的结构，可操作性好，维护成本低，但这种方式的取能效率和输出功率都较低，难以实现无线传感节点的稳定供电
。
另外，基于电流互感效应的取能器件输出电压低，正常供电的启动电流大，也为其更广泛应用带来了困难
。
[0003]基于悬臂梁结构的磁
‑
力
‑
电
(MME)
能量收集器是目前常用的一种俘获工频磁场能的新型器件，其采用磁
‑
力
‑
电
(MME)
能量转换机制，通过磁扭矩效应
、
磁致伸缩效应实现磁
‑
力转换，再利用压电效应进行力
‑
电转换，从而实现能量收集的功能，该机制可以从低频磁场实现高功率密度取能效果
。
但是目前应用的磁
‑
力
‑
电
(MME)
能量收集器，其匹配负载一般高达
100k
Ω
，在实际的供能工程中造成能量管理电路设计困难，取能效率低
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器及其制造方法，解决了现有技术中取能效率低，能量损耗高的问题
。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器，呈悬臂梁结构且包括多层级联的压电
/
压磁复合梁
、
永磁铁质量块以及固定夹具，固定夹具和磁铁质量块分别位于多层级联的压电
/
压磁复合梁的两端，其中，永磁铁质量块位于多层级联的压电
/
压磁复合梁的自由端；多层级联的压电
/
压磁复合梁包括压电材料
、
柔性电极片以及磁致伸缩弹性层，其中，压电材料与柔性电极片复合构成压电芯，压电芯与磁致伸缩弹性层复合
。
[0006]作为一种优选的实施方式，压电材料设置有
n
片，柔性电极片设置有
2n
片，磁致伸缩弹性层复合设置有
n+1
片，每片压电材料通过环氧树脂胶与相邻的两片柔性电极片进行复合构成压电芯，
n
层压电芯通过环氧树脂胶分别与磁致伸缩弹性层交替复合
。
[0007]作为一种优选的实施方式，该多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器的谐振频率随永磁铁质量块大小
、
个数以及放置位置而改变，改变永磁铁质量块为沿其厚度方向磁化的
NbFeB
材料
。
[0008]作为一种优选的实施方式，
n
层压电芯之间为串联或者并联
。
[0009]作为一种优选的实施方式，当增强磁
‑
力
‑
电能量收集器的输出电压时，
n
层压电芯之间为串联；当增强磁
‑
力
‑
电能量收集器的输出电流
、
降低内阻时，
n
层压电芯之间为并联
。
[0010]作为一种优选的实施方式，永磁铁质量块在和磁化方向正交的外场作用下产生磁转矩，驱动悬臂梁磁
‑
力
‑
电能量收集器发生一阶弯曲振动
。
[0011]作为一种优选的实施方式，固定夹具需选用铁磁性可忽略的材料，压电材料，可以为压电陶瓷
、
压电单晶
、
压电聚合物以及压电宏观纤维复合材料中的一种，伸缩弹性层可由常用软磁合金构成
[0012]一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器的制造方法，包括以下步骤：步骤1，制备磁致伸缩弹性层；步骤2，制备柔性电极；步骤3，制备压电芯；步骤4，制备多层级联的压电
/
压磁复合梁；步骤5，制备夹具；步骤6，在多层级联的压电
/
压磁复合梁自由端放置偏置磁铁，选定合适的夹持位置，使夹具与夹持端固定
。
[0013]作为一种优选的实施方式，在步骤1之前将磁致伸缩材料裁切并用酒精擦拭表面，经
49℃
烘干，在步骤1中，将制备成的磁致伸缩弹性层在烘干箱内重物静压
24
小时
。
[0014]采用了上述技术方案后，本专利技术的有益效果是：
[0015](1)
采用多层压电芯的串联模式，可以显著增强磁
‑
力
‑
电能量收集器的输出电压
。
在
2Oe
的驱动磁场下，串联模式最佳负载可低至
50
‑
60k
Ω
，开路电压可达到
26.9V
pp
。
[0016](2)
采用多层压电芯的并联模式，可以显著降低磁
‑
力
‑
电能量收集器的内阻，并进一步提高匹配负载的功率
。
在
2Oe
的驱动磁场下，并联模式最佳负载可低至2‑
3k
Ω
，开路电压达到了
7.6V
pp
，匹配的负载功率达到了
595.5
μ
W
RMS
。
[0017](3)
通过单层
、
串联和并联三种不同的级联方式输出，可以实现内阻
、
输出功率的灵活变换
。
便于后续能量管理电路的设计
。
[0018]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器，其特征在于，呈悬臂梁结构且包括多层级联的压电
/
压磁复合梁
、
永磁铁质量块
(5)
以及固定夹具
(1)
，所述固定夹具
(1)
和磁铁质量块
(5)
分别位于多层级联的压电
/
压磁复合梁的两端，其中，永磁铁质量块
(5)
位于多层级联的压电
/
压磁复合梁的自由端；所述多层级联的压电
/
压磁复合梁包括压电材料
(4)、
柔性电极片
(3)
以及磁致伸缩弹性层
(2)
，其中，所述压电材料
(4)
与柔性电极片
(3)
复合构成压电芯，所述压电芯与磁致伸缩弹性层
(2)
复合
。2.
根据权利要求1所述的一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器，其特征在于，所述压电材料
(4)
设置有
n
片，所述柔性电极片
(3)
设置有
2n
片，所述磁致伸缩弹性层
(2)
复合设置有
n+1
片，每片所述压电材料
(4)
通过环氧树脂胶与相邻的两片柔性电极片
(3)
进行复合构成压电芯，
n
层所述压电芯通过环氧树脂胶分别与磁致伸缩弹性层
(2)
交替复合
。3.
根据权利要求1所述的一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器，其特征在于，该多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器的谐振频率随所述永磁铁质量块
(5)
大小
、
个数以及放置位置而改变，改变所述永磁铁质量块
(5)
为沿其厚度方向磁化的
NbFeB
材料
。4.
根据权利要求2所述的一种多层级联的磁
‑
力
‑
电磁场能量收集器，其特征在于，
n
层所述压电芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：储昭强，李梦甜，张亚蒙，李妮妮，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：