[发明专利]一种基于两端固定梁的磁场能量收集器

说明书

本发明提出一种基于两端固定梁的磁场能量收集器，该能量收集器包括压电单元、永磁单元、横梁、夹具和基座，基座上设置有两个夹具，梁的中央固定有磁铁，磁铁的两侧对称固定有两个压电单元。本发明开发出一种新型的磁‑力‑电磁场能量采集器，打破了传统悬臂梁结构中工作频率与磁铁质量的强依赖关系，实现了50Hz微弱环境磁场(1Oe)能量收集问题，结构稳定，应用面广，可以收集一般电线产生的磁场能。

技术领域

本发明涉及一种基于两端固定梁的磁场能量收集器，属于能量收集器技术领域。

背景技术

物联网技术在即将到来的智能世界中发挥着关键作用。无线传感器和收发器是典型的物联网组件，目前使用电池为这些物联网设备供电，但是当网络节点数量超过万亿时，电池的维护和更换将几乎不可行。此外，在深海、高空等恶劣环境下充电或更换电池也是一项具有挑战性的工作。就此而言，能量收集技术可被视为替代电池、实现自供电物联网组件从而为无线传感器网络提供长期供电的终极解决方案。在振动、辐射、磁场/电场等众多可收集能源中，电力传输电缆、工业机械和家用电器等产生的杂散磁能因其频率固定为50或60赫兹和分布的广泛性而在技术上受到青睐。

基于电磁感应原理的线圈装置通常被采用来捕获周围被浪费的磁场能量，然而，在低频磁场能量收集的场景下，线圈的输出功率非常有限。相比之下，磁-力-电(MME)能量收集器被认为是最有希望收集废弃的磁场能量的选择。典型的磁-力-电(MME)能量收集器结构是一个在其自由端附加一个磁质量的悬臂梁。当施加垂直于尖端磁铁磁化方向的外加磁场时，可以产生弯矩来激发磁-力-电(MME)能量收集器，然后通过弹性耦合将产生的应力传递到压电层上，最后，利用压电效应获得电输出。为了提高磁-力-电(MME)能量收集器的输出功率，可以通过使用磁致伸缩多层结构(Metglas、FeGa和Ni)进一步集成磁电效应。例如，Ryu等人报道了一种由低损耗压电晶体和纹理磁致伸缩材料组成的磁-力-电(MME)能量收集器，实现了在7Oe磁场下60Hz的毫瓦输出。

现有技术通常采用5Oe以上强度的磁场来演示典型磁-力-电(MME)能量收集器的能量收集性能。而世界卫生组织建议公众可接触的50/60赫兹磁场水平阈值为1Oe，而且大多数家用电器30厘米处的磁场强度也低于此阈值。虽然将磁-力-电(MME)能量收集器放置在靠近磁源的地方可以获得可观的能量输出，但对工业设备或家用电器产生的副作用将大大限制实际应用。此外，悬臂梁结构的MME能量收集器中自由端的磁铁具有大的挠度，贡献了系统的大部分动能。在这种情况下，自由端磁铁质量与MME悬臂梁的谐振频率高度相关。为了保持恒定的50/60Hz的谐振频率，难以在维持系统刚度的条件下，通过增加磁铁质量来提高弱磁响应能力。另一方面，当附加较重的自由端质量时，悬臂梁在非对称支撑下也容易失稳。因此，需要开发出一种新型的磁-力-电(MME)能量采集器，打破传统悬臂梁结构中工作频率与磁铁质量的强依赖关系，实现50Hz微弱环境磁场(1Oe)能量收集。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种新型的磁-力-电磁场能量采集器，打破了传统悬臂梁结构中工作频率与磁铁质量的强依赖关系，实现了50Hz微弱环境磁场(1Oe)能量收集问题，结构稳定，应用面广，可以收集一般电线产生的磁场能，应用于物联网传感器供电、通电导线磁能收集和检测交流电传感器。

本发明提出一种基于两端固定梁的磁场能量收集器，包括两个压电材料、磁铁、梁、两个夹具和基座，所述基座上设置有两个夹具，两个夹具间夹有梁，所述梁的中央固定有磁铁，所述磁铁的两侧位于梁对称固定有两个压电材料。

优选地，所述压电材料为压电陶瓷或压电单晶。

优选地，所述黄铜梁尺寸为160mm×10mm×0.5mm，每个压电材料的尺寸为40mm×7mm×0.3mm，两个压电材料的间距为13mm，此尺寸可以保证在共振频率保持在50Hz的条件下，使磁场能量收集器的收集器效率更高。

本发明所述的基于两端固定梁的磁场能量收集器的有益效果为：