一种磁致伸缩能量采集器的制作方法

本发明涉及能量采集器技术领域，特别是涉及一种磁致伸缩能量采集器。

背景技术：

无线传感器在传感器网络和微机电系统中被广泛应用，但其使用寿命短、维护费用高、不易于更换、污染环境等缺点的传统电池，已难以满足其供电需求。而如何高效的从环境中采集能量，实现无线传感器的自供能技术，是近年来国内外学者研究的热点问题。

振动能量以其存在的普遍性、能量密度高等特点被研究者青睐。目前比较常用的能量采集器是基于压电陶瓷制作的能量采集器，但是现有的压电陶瓷振动能量采集器存在输出电功率低、不易于工作在高负载振动环境等不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种磁致伸缩能量采集器，解决了能量采集器输出电功率低，不易工作在高负载振动环境的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁致伸缩能量采集器，包括：

两个第一承载板；设置在所述第一承载板上呈环形分布的多个磁体；设置在两个所述第一承载板之间的第二承载板；贯穿所述第二承载板厚度且呈环形分布多个环形线圈；设置在所述环形线圈内环中的磁致伸缩体；其中，所述第一承载板和所述第二承载板之间相互平行且留有间隙，所述第二承载板可相对于所述第一承载板以旋转中心轴转动，且所述旋转中心轴和所述第二承载板垂直；所述磁体分布所在的环形上相邻所述磁体间距相等，所述环形线圈所在环形上相邻所述环形线圈间距相等，且多个所述磁体和多个所述环形线圈与所述旋转中心轴的距离相等；两个所述第一承载板上的所述磁体交错分布，且同一所述第一承载板上的所述磁体充磁方向相同，不同所述第一承载板上的所述磁体的充磁方向相反。

其中，所述磁致伸缩体的数量是每个所述第一承载板上的所述磁体数量的两倍。

其中，所述磁体为具有扇形横截面的磁体，且所述扇形横截面的扇形弧线的圆心位于所述旋转中心轴上；

所述环形线圈为具有圆形横截面的圆环形线圈，所述环形线圈的横截面面积和所述磁体横截面面积的比例为0.65～0.75。

其中，每个所述第一承载板上相邻所述磁体之间还设置有隔磁块，所述隔磁块的大小形状和所述磁体的大小形状相同。

其中，所述隔磁块和所述第一承载板为一体结构，且所述第一承载板和所述第二承载板均为铬镍钛合金的不导磁承载板。

其中，所述第一承载板靠近所述第二承载板的表面还固定有隔磁板，所述磁体设置于所述隔磁板和所述第一承载板之间，且所述隔磁板靠近第二承载板的表面的滑动摩擦系数不大于预设摩擦系数。

其中，所述隔磁板的厚度为1mm-2mm。

其中，还包括导磁护套，所述第一承载板和所述第二承载板均设置在所述导磁护套内部，所述第一承载板背离所述第二承载板的表面以及所述第一承载板和所述第二承载板侧面均和所述导磁护套相贴合。

其中，所述第一承载板和所述第二承载板之间的间隙为2mm-3mm。

其中，包括设置在所述旋转中心轴处并贯穿所述第一承载板和所述第二承载板的转轴，所述第一承载板和所述转轴通过轴承相连接，所述第二承载板和所述转轴固定连接，且所述转轴为不导磁转轴。

本发明所提供的磁致伸缩能量采集器，通过将环形线圈和磁致伸缩体设置在两个设置有磁体的第一承载板之间，应为环形线圈和磁致伸缩体可相对于磁体转动，那么环形线圈内的磁通量就会发生变化，从而产生感应电流，另外，由于两个第一承载板上的磁体交错设置，磁致伸缩体交替受到两个第一承载板上的磁体的磁场力的作用，在两个第一承载板之间来回地跳动，使磁致伸缩体交替的受到两个相反方向的冲击力，从而产生压磁效应，使得环形电流中产生电流。

因此，本发明中通过采集环境中的能量来驱动环形线圈和磁致伸缩体所在的第二承载板相对于第一承载板转动，使得环形线圈中产生由于电磁感应和压磁效应共同产生的电流。相对于现有技术中的压电陶瓷能量采集器，本发明中的磁致伸缩能量采集器具有更高的能量转化率，并且能够输出更高功率的电流，并且本发明的磁致伸缩能量采集器结构简单，易于安装生产，设备成本低，能够满足无线传感器等设备的供电。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施提供的第二磁体分布的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的磁致伸缩体分布的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图；

附图中，1为第一承载板、11为磁体、12为隔磁板、13为隔磁块、2为第二承载板、21为环形线圈、22为磁致伸缩体、3为导磁护套、4为转轴、5为轴承。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，图1为本发明实施例提供的磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图，图2为本发明实施提供的第二磁体分布的结构示意图，图3为本发明实施例提供的磁致伸缩体分布的结构示意图；该磁致伸缩能量采集器可以包括：

两个第一承载板1，设置在第一承载板1上的多个成环形分布的磁体11，且在磁体11所分布的环形上，相邻的磁体11之间的间距相等。

设置在两个第一承载板1之间并和两个第一承载板1相互平行的第二承载板2；贯穿第二承载板2设置的多个环形线圈21；环形线圈21在第二承载板2上也呈环形分布，且在环形线圈21分布所在的环形上，相邻环形线圈21之间的间距也相等，并且在环形线圈21的内环中，还设置有磁致伸缩体22。

需要说明的是，本发明中并不要求每个环形线圈21内环中均设置有磁致伸缩体22，但是在每个环形线圈21内环中均设置磁致伸缩体22，能够增大能量采集器的输出功率，因此，这是一种更为优选的方案，在后续实施例中，默认为每个环形线圈21中均设置有一个磁致伸缩体22，对应的，在后续实施例中环形线圈21的分布方式以及分布位置，也应理解为同样是磁致伸缩体22的分布方式和分布位置。

另外，第一承载板1和第二承载板2可相对转动，且旋转中心轴和第二承载板2垂直，那么，相应地旋转中心轴也和第一承载板1垂直。

并且，多个磁体11和多个环形线圈21与旋转中心轴的距离相等，也即是说磁体11分布所在的环形和环形线圈21分布所在的环形共轴设置且半径相等，那么当第一承载板1和第二承载板2相对旋转至恰当的位置时，环形线圈21以及环形线圈21内环中的磁致伸缩体22可正对着磁体11。

另外，第一承载板1上的磁体11交错分布，且同一第一承载板1上的磁体11充磁方向相同，不同第一承载板1上的磁体11的充磁方向相反。

具体的，可参考图4，图4为本发明实施例提供的磁致伸缩能量采集器的剖面结构示意图。需要说明的是，图4中的剖面线为磁体11和环形线圈21分布所在的环形剖面线，且图4中忽略了磁体11和环形线圈21的环形分布，展开为直线分布的示意图。图4中，上下两个第一承载板1上距离最近的三个磁体11近似的呈“品”字型交错分布。

为了便于理解，按图4中的上下为基准进行说明，那么，当第二承载板2上的磁致伸缩体22和环形线圈21由正对着上方的磁体11所在位置转动至正对着下方磁体11的位置，穿过环形线圈21的磁场线方向变化了180度，那么环形线圈21的磁通量相应的也发生变化，环形线圈21中就能够产生感应电流；与此同时，磁致伸缩体22由被位于上方的磁体11吸引变为被下方的磁体11吸引，那么磁致伸缩体22就会和下方的磁体11产生碰撞挤压，从而对磁致伸缩体22产生一定的冲击力，为了增加磁致伸缩体22和磁体11之间的撞击压力，可以适当的使第一承载板1和第二承载板2之间留有一定的间隙，该间隙宽度为2mm-3mm，当然，间隙宽度可以根据实际应用环境做适当的调整。那么磁致伸缩体22受到冲击压力时，会产生压磁效应，使得环形线圈21中产生电流。随着第一承载板1和第二承载板2的相对转动，环形线圈21和磁致伸缩体22依次经过两个第一承载板1上的磁体11之间的位置，环形线圈21中的磁通量循环往复的发生变化，使得环形线圈21产生感应电流，而磁致伸缩体22在两个第一承载之间来回撞击，由于磁致伸缩材料本身具有压磁效应，冲击力作用下磁致伸缩体22内磁化强度将发生改变，从而将产生压磁发电的压磁电流，最终整个磁致伸缩能力采集器所获得的电功率为两种不同的电流的叠加电流。

而驱动第一承载板1相对于第二承载板2相对转动的驱动力即为从环境中获取的动力，例如，人的膝关节在走路时，会有一定角度的旋转运动，可以通过获取该旋转运动的能量，也可以通过获取如汽车车轮旋转的动能，还可以是获取环境中振动、挤压或其他形式的能量。

相对于现有技术中的压电陶瓷能量采集器而言，本发明中是基于磁致伸缩材料而设计的能量采集器，磁致伸缩材料具有机磁耦合系数大、负载能力强、能量密度高、转换效率高等优点。本发明中通过获取到的能量驱动第二承载板2相对于第一承载板1转动，那么对应地，使磁致伸缩体22产生压磁效应从而获得电流，同时还通过环形线圈21内的磁通量变化产生电流，充分利用了第一承载板1和第二承载板2旋转的动能，使环形线圈21内获得压磁效应和电磁感应两种不同途径产生的电能，提高了能量采集器的能量转化率和电能的输出功率，使得本发明中的能量采集器能够适用于高负载的环境中。

并且本发明的能量采集器结构简单，易于安装，生产成本低，在输出相同功率的电能的前提下，具有更小的体积，更适应无线传感器和微机电系统对能量采集器小体积、便于集成化的要求。

基于上述实施例，为了最大程度上提高磁致伸缩能量采集器的能量转化率，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步包括：

磁致伸缩体22的数量是每个第一承载板1上的磁体11数量的两倍，那么相邻磁致伸缩体22之间的间距为每个第一承载板1上相邻磁体11之间的间距的一半，也就可以保证当一个磁致伸缩体22吸附在某一个磁体11上时，同时两个第一承载板1上每个磁体11上均吸附有一个磁致伸缩体22，而不会存在某两个磁致伸缩体22之间的位置对应的磁体11没有吸附磁致伸缩体22，这就保证了每个磁体产生的磁场都具有施加冲击力的磁致伸缩体22，也都具有改变环形线圈21磁通量所对应的环形线圈21，从最大程度上发挥了各个磁体11的作用，从而使得环形线圈21内的电流输出功率最大，提高能量转化率。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：

磁体11为具有扇形横截面的磁体11，由于扇形的磁体结构中心漏磁较少，易于磁致伸缩体22内均匀磁场的设计，该扇形横截面和第一承载板1所在的平面平行，且该扇形横截面的扇形弧线的圆心位于旋转中心轴上，在实际应用过程中为了减小能量采集器的体积，磁体11一般采用扇形板状结构的磁体11。对于设置有两个第一承载板1的能量采集器而言，该扇形板状的磁体11厚度一般是和第二承载板2的厚度相同且扇形横截面的扇形弧线的圆心位于旋转中心轴上；

进一步地，考虑到当环形线圈21的横截面相对于磁体11的横截面过小时，可能存在环形线圈21和磁致伸缩体22相对于磁体11运动时，滑过正对磁体11的位置时，如果磁体11横截面过大，那么环形线圈21和磁致伸缩体22在相对于磁体11滑动很大一段弧度之内，所处位置的磁通量均不发生变化，那么也就极大地减小了电流的输出功率。反之，如果环形线圈21的横截面远大于磁体11的横截面，那么，可能存在磁致伸缩体22和环形线圈21正对着第一承载板1上的位置分布有多个磁体11，当磁体11相对于磁致伸缩体22和环形线圈21转动时，几乎不发生压磁效应和电磁感应现象，因此，环形线圈21的尺寸应和磁体11的尺寸相配合，环形线圈21可以为具有圆形横截面的圆环形线圈21，环形线圈21的横截面面积和磁体11横截面面积的比例可以为0.65～0.75，一般而言面积比例设置在0.7左右即可，使得第一承载板1和第二承载板2即便有很小角度的相对转动，环形线圈21中也能够产生电流。

进一步地，可以在距离最近的两个磁体11之间设置隔磁块13，因为磁体11的横截面为扇形横截面，且横截面和第一承载板1所在平面平行，所以可以设置隔磁块13的形状大小和磁体11的形状大小相同，隔磁块13的主要作用是限定磁体11处于第一承载板1上特定的位置保持稳定固定，而为了防止相邻的磁体11之间的部件被磁化，所以采用具有不被磁化的特性的隔磁块13。

需要说明的是，一般可以直接在第一承载板1上设置多个通孔，将磁体11设置在通孔内，而相邻的磁体11之间的隔磁块13即为第一承载板1的一部分，也即是说隔磁块13和第一承载板1本体为一体结构，当然本发明中也并不排除隔磁块13和第一承载板1本体为分体结构的实施方式。

进一步地，对于不导磁的第一承载板1和隔磁块13可以采用铬镍钛合金制成，在实际应用过程中，第二承载板2往往也是采用具有不可磁化的不导磁材料制成，因此第二承载板2也可以是铬镍钛合金的不导磁承载板。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：

第一承载板1靠近第二承载板2的表面还固定有隔磁板12，磁体11设置于隔磁板12和第一承载板1之间，也即是说，当磁致伸缩体22被磁体11吸附时，不是直接吸附在磁体11的表面，而是吸附在隔磁板12的表面，且隔磁板12靠近第二承载板2的表面的滑动摩擦系数不大于预设摩擦系数。

需要说明的是，考虑到如果磁致伸缩体22受到磁体11的吸引力，完全的贴合在磁体11的表面，那么，当需要驱动第二承载板2相对与第一承载板1旋转时，可能会由于磁致伸缩体22和磁体11之间的摩擦力而消耗部分的机械能，导致对能量的转化率过低的问题。

因此，在第一承载板1上设置隔磁板12，可以预先对隔磁板12靠近磁致伸缩体22的表面进行抛光处理，使其摩擦系数不超过0.2，形成一个光滑的表面，那么当第二承载板2相对于第一承载板1旋转时，即便磁致伸缩体22和隔磁板12贴合较为紧密，也不会损耗过多的机械能，从而降低了能量的损耗，提高能量转化效率。

进一步地，为了避免隔磁板12过厚，影响磁体11产生的磁场对环形线圈21和磁致伸缩体22的作用，本实施例中，可以进一步限定该隔磁板12的厚度为1mm-2mm。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中可以进一步地包括：

导磁护套3，第一承载板1和第二承载板2均设置在导磁护套3内部，第一承载板1背离第二承载板2的表面以及第一承载板1和第二承载板2侧面均和导磁护套3相贴合，简而言之，就是形成一个导磁护套3，使得第一承载板1和第二承载板2均设置在该导磁护套3内，且该导磁护套3的形状和第一承载板1以及第二承载板2的外形相配合，使得第一承载板1和第二承载板2构成的整体的外表面和导磁护套3内表面相贴合。

需要说明的是，之所以设置导磁护套3，是为了使每块磁体11产生的磁场线经过导磁护套3再回到磁体11，形成一个完整的闭合回路，在很大程度上避免了磁体11的漏磁现象的发生。

进一步地，在本发明的另一具体实施例中，还可以在旋转中心轴处设置贯穿第一承载板1和第二承载板2的转轴4，第一承载板1和转轴4通过轴承5相连接，第二承载板2和转轴4固定连接，使得第一承载板1可相对于第二承载板2转动。且转轴4为不导磁转轴4，避免转轴4被磁体11磁化，影响整个能量采集器的磁通路。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的磁致伸缩能量采集器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。