一种能量转换装置制造方法及图纸

一种能量转换装置，包括：基座；设置于基座的夹持结构；能在空间杂散磁场的作用下发生弯曲并输出电压的悬臂梁；以及汇集空间杂散磁场的聚磁结构；悬臂梁的一端能拆卸地夹持于夹持结构，另一端上设置有永磁体；聚磁结构以使汇聚后的磁场作用于悬臂梁和永磁体的形式设置于永磁体的下方。本发明专利技术结构简单，空间杂散磁场利用率高。场利用率高。场利用率高。

【技术实现步骤摘要】
一种能量转换装置


[0001]本专利技术涉及能量转换
，尤其涉及一种采集空间磁场能量用于传感、供电或储能的能量转换装置。

技术介绍

[0002]随着物联网(LOT)技术的飞速发展，涉及的传感器种类越来越多，且正向着集成化、微型化和网络化发展。但是想要真正实现城市的智能化，就绕不开能源供给的问题。把空间磁场能量转换为电能为智能基础设施提供可持续的能源正受到越来越多人的关注。空间杂散磁场由电气设备产生，在城市生活中无处不在，其固定频率为50Hz，但是强度比较小。而基于“磁
‑
机
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电”耦合原理的磁电换能器件可以有效地这些低频杂散磁场转换为电能，并且具有性能稳定、方便易用，维护简单，成本较低等优点，可以将这些电气设备产生的杂散磁场能量转换为电能加以储存，再为家居系统或者交通系统中的各类传感器供电，从而达到节约能源的目的。
[0003]现有的磁电换能器件中，大多采用压磁压电材料复合的悬臂梁结构，其工作原理是磁场先驱动压磁材料产生应变，进一步带动压电晶体产生应变，从而输出电能。目前该结构的局限性包括以下几点：(1)杂散磁场利用率低，只有当杂散磁场强度达到500μT以上，才能有效地利用并产生电能；(2)输出电压小，由于磁电转换系数不高，导致能量不足以驱动一些低功耗设备，使得应用困难；(3)若想要输出能量高，则需要牺牲体积优势，通过多个单元形成阵列式结构来提升输出能量，才能达到使用需求。

技术实现思路

[0004]专利技术要解决的问题：针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种输出能量大、空间杂散磁场利用率高且用途广泛的能量转换装置。
[0005]解决问题的技术手段：为解决上述问题，本专利技术提供一种能量转换装置，包括：基座；设置于所述基座的夹持结构；能在空间杂散磁场的作用下发生弯曲并输出电压的悬臂梁；以及汇集空间杂散磁场的聚磁结构；所述悬臂梁的一端能拆卸地夹持于所述夹持结构，另一端上设置有永磁体；所述聚磁结构以使汇聚后的磁场作用于所述悬臂梁和所述永磁体的形式设置于所述永磁体的下方。
[0006]根据本专利技术，悬臂梁能在磁场的作用下弯曲并输出电压，换言之能利用磁场进行能量转化。且悬臂梁且能拆卸地夹持于夹持结构，因此能通过调节悬臂梁从夹持结构伸出的长度来调节悬臂梁的振动频率。永磁铁自带磁矩与杂散磁场的相互作用转化为悬臂梁的扭矩，而且设置于永磁体下方的聚磁结构进一步加强增强了对杂散磁场的转换能力增大了磁通密度，从而进一步增大悬臂梁产生的扭矩，使得悬臂梁产生的弯曲应变更大以输出更大的电压，提升了集能装置的能量输出。在悬臂梁上弯曲应变与伸缩应变同时存在，二者协
同作用，相互促进，与在只利用弯曲应变或者伸缩应变相比，能获得更大的输出。
[0007]也可以是，本专利技术中，所述悬臂梁包括机械基底层、堆积于所述机械基底层的上方的至少一个压磁层以及位于所述机械基底层和所述压磁层之间的压电层；位于所述悬臂梁的顶部的所述压磁层以拉伸状态进行设置。由此，压磁材料和压电材料复合构成悬臂梁，压磁材料在外界杂散磁场作用下产生伸缩，并带动压电材料伸缩应变输出电能，且通过改变压磁层的层数能调节悬臂梁的抗弯刚度。而且，压电层位于压磁层的下方，且使上表面(最顶部)的压磁层处于拉伸状态，这种拉伸的预应力效果可以充分地发挥压磁层的磁致伸缩性能。
[0008]也可以是，本专利技术中，所述压磁层由磁致伸缩材料构成，其材料为FeSiB、FeCuNbSiB或CoFeSiB；所述压电层为压电晶体，其材料为PMNT、PIMNT单晶或PZT陶瓷。
[0009]也可以是，本专利技术中，所述永磁体为铁氧体磁铁或汝铁硼磁铁；所述基座和所述夹持结构由无磁性材料构成。
[0010]也可以是，本专利技术中，所述永磁体以磁极沿上下方向的形式设置于所述悬臂梁的上表面或下表面。
[0011]也可以是，本专利技术中，所述聚磁结构由高磁导率的锰锌铁氧体、硅钢、非晶合金或纳米晶软磁复合材料构成。
[0012]也可以是，本专利技术中，所述聚磁结构形成为下表面大于上表面的台状。由此，聚磁结构通过上、下面积不同，能实现对空间杂散磁场的有效汇聚，从而能有效地汇集杂散磁场提高磁通密度，加强聚磁结构与永磁体及悬臂梁的相互作用。
[0013]专利技术效果：本专利技术结构简单，空间杂散磁场利用率高，仅单独设置就能达到使用要求，无需通过设置多个单元形成阵列式结构来提升输出能量。
附图说明
[0014]图1是根据本专利技术一实施形态的能量转换装置的结构示意图；图2是示出图1所示能量转换装置中的悬臂梁的复合结构的图；图3是对底边边长为20cm的聚磁结构的磁通密度进行仿真模拟的图；图4是示出聚磁结构的外形尺寸对磁通密度的影响的图；图5是示出图2所示悬臂梁中伸缩应变与弯曲应变分别对输出电压的贡献的图；符号说明：1、基座；2、夹持结构；3、悬臂梁；4、聚磁结构；11、压磁层(磁致伸缩材料)；12、应变耦合层；13、压电层(压电晶体)；14、永磁体；15、机械基底层。
具体实施方式
[0015]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0016]在此公开一种能改善空间杂散磁场能量采集的输出电压和利用率的能量转换装置。
[0017]图1是根据本专利技术一实施形态的能量转换装置的结构示意图。如图1所示，能量转
换装置主要包括基座1、夹持结构2、悬臂梁3以及聚磁结构4。
[0018]基座1是能量转换装置的主体框架，主要用于安装设置其他结构。基座1形成为大致L字状，包括水平的底座和从该底座向上方竖起的板状的支架。为了避免干扰磁场环境，基座1整体由无磁性的铜构成，其底座的重量较大，便于整体结构的稳定。支架通过例如角铁、螺栓等固定件竖直固定于底座的上表面，在支架上设置有夹持结构2。
[0019]夹持结构2与基座1同样地由无磁性的铜构成，主要用于夹持后述的悬臂梁3。本实施形态中，夹持结构2为彼此相向设置的两块铜片，铜片的一端通过螺栓等固定于支架。在两块铜片之间设置有垫片等绝缘件，并在紧固件的作用下夹持住悬臂梁3的一端，由此悬臂梁3可拆卸地夹持于夹持结构2。为了更自由地调节悬臂梁3从夹持结构2伸出的长度，夹持结构2的长度可以是悬臂梁3的总长度的2/3。此外，基座1和夹持结构2不限于由铜构成，只要是无磁性材料即可，例如也可以是铝等。
[0020]悬臂梁3在能量转换装置中作为集能结构发挥作用，其形成为一端夹持于夹持结构2，另一端向夹持结构2的反向水平延伸的长条状悬臂结构。图2是示出能量转换装置中的悬臂梁3的结构的图。
[0021]如图2所示，悬臂梁3由压磁材料和压电材料通过粘接剂复合而成的磁电复合材料所构成，其能在空间杂散磁场的作用下发生弯曲并输出电压。更详尽地，本实施形态中，悬臂梁3包括机械基底层15、多个压磁层11、一个压电层13以及将它们粘接在一起的作为粘接层的应变耦合层12。其中，机械基底层15由环氧树脂板构成，主要用于增强悬臂梁的机械强度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能量转换装置，其特征在于，包括：基座；设置于所述基座的夹持结构；能在磁场的作用下发生弯曲并输出电压的悬臂梁；以及汇集空间杂散磁场的聚磁结构；所述悬臂梁的一端能拆卸地夹持于所述夹持结构，另一端上设置有永磁体；所述聚磁结构以使汇聚后的磁场作用于所述悬臂梁和所述永磁体的形式设置于所述永磁体的下方。2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述悬臂梁包括机械基底层、堆积于所述机械基底层的上方的至少一个压磁层以及位于所述机械基底层和所述压磁层之间的压电层；位于所述悬臂梁的顶部的所述压磁层以拉伸状态进行设置；所述压电层和堆积于所述压电层的上方的所述压磁层通过应变耦合相互作用。3.根据权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征在于，所述压磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦杰，陈瑞，罗豪甦，陈子云，邓廷宇，王宇航，狄文宁，鲁丽，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：