一种基于两端固定梁的磁场能量收集器
阅读说明：本技术 一种基于两端固定梁的磁场能量收集器 (Magnetic field energy collector based on two-end fixing beam ) 是由 储昭强 沈莹 高俊奇 孙泽尘 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：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。(The invention provides a magnetic field energy collector based on beams fixed at two ends, which comprises piezoelectric units, permanent magnet units, a cross beam, clamps and a base, wherein the base is provided with the two clamps, the center of the beam is fixed with a magnet, and two sides of the magnet are symmetrically fixed with the two piezoelectric units. The invention develops a novel magnetic-force-electromagnetic field energy collector, breaks through the strong dependence relationship between the working frequency and the magnet quality in the traditional cantilever beam structure, realizes the energy collection problem of a 50Hz weak environmental magnetic field (<1Oe), has stable structure and wide application range, and can collect magnetic field energy generated by common electric wires.)
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：
1、本发明利用了两端固定梁的二阶振动模式，中间的永磁铁一方面提供驱动力，另一方面通过增加梁的等效质量降低系统的固有频率。该结构设计的优势在于：1)两端固定梁的二阶振动模式中间部位的挠度小，磁铁的质量对系统等效质量的贡献同悬臂梁相比明显降低。这样可以保证增加磁铁质量的同时，无需同等程度的提高系统刚度，以避免系统耦合效应的减弱；2)梁的稳定性和刚度相对于传统悬臂梁有所增加，从而支持放置更多的永磁铁；3)在弱场下，永磁铁的增加有利于提高梁的驱动力，从而增强低场下的功率输出。
2、本发明结构理论创新，摈弃传统的悬臂梁结构而采用了新型的两端夹持结构。
3、本发明能够在50Hz，1Oe以下的小磁场中产生较高的输出电功率。
4、本发明结构稳定，应用面广，可以收集一般电线产生的磁场能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种基于两端固定梁的磁场能量收集器的结构示意图。
图2为本发明所述的一种基于两端固定梁的磁场能量收集器工作时的共振模态图。
图3为本发明所述的一种基于两端固定梁的磁场能量收集器的尺寸示意图；其中a表示压电材料长度，L表示黄铜梁长度，s表示两个压电材料到梁中心的距离。
图4为本发明所述的一种基于两端固定梁的磁场能量收集器在50Hz交流磁场下的负载输出功率图。
图5为悬臂梁磁-力-电(MME)能量收集器与两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的模态对比，其中(a)表示悬臂梁磁-力-电(MME)能量收集器的工作模态；(b)表示两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的工作模态；(c)表示悬臂梁结构和两端夹持结构MME能量收集器在谐振态的输出对比。
图6为本发明所述的一种基于两端固定梁的磁场能量收集器的受力-挠度分布图，其中，(a)表示两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的受力分析图，(b)表示梁的弯矩图，(c)表示梁的挠度分布。
其中，1-压电材料，2-磁铁，3-梁，4-夹具，5-基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-6说明本实施方式。本实施方式所述的基于两端固定梁的磁场能量收集器，1.包括两个压电材料1、磁铁2、梁3、两个夹具4和基座5，所述基座5上设置有两个夹具4，两个夹具4间夹有梁3，所述梁3的中央固定有磁铁2，所述磁铁2的两侧位于梁3对称固定有两个压电材料1。
所述压电材料1为压电陶瓷。所述压电陶瓷为PZT陶瓷。所述磁铁2为N35磁铁。所述夹具4为不锈钢夹具。所述梁3为黄铜梁。
所述的基于两端固定梁的磁场能量收集器的工作原理为：
如图5所示，图5(b)显示了两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的工作模态，其中永磁体安装在梁中心，其磁化方向向上，响应平行于梁长度方向的外部磁场，可以激发二阶弯曲模式。与悬臂结构的磁-力-电(MME)能量收集器(图5(a))相比，在两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器中实现了对所附磁体的对称支撑和小偏转。在这里，两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的对称支撑能够承受较重的磁铁并在强烈振动的情况下稳定。小偏转可以降低磁体的动能，从而使两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的谐振频率受磁体重量变化的影响较小。因此，在两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器中可以允许增加更多永磁铁并因此增加弯矩。从而，可以在固定工作频率下的低振幅磁场激励(<1Oe)增强功率输出性能(图5(c))
两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的受力分析如图6(a)所示，
集中力矩通过磁铁加载到梁上，根据力矩平衡和受力平衡可得：
其中，Me为中心磁铁施加在梁上的弯矩，MA和MB分别为两夹持端的弯矩，FA和FB为两夹持端的集中力，l为梁长度。
由上式可得梁整体的弯矩图如图6(b)所示，
弯矩M为挠度w的二阶导数，基于梁挠度二阶微分方程和边界条件求得其挠度分布为(EI为梁的抗弯刚度。)：
又两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器的梁上每个点的纵位移满足波动方程：
因此每个点的速度为：
将磁铁等效为质心位置处的两个质点，计算出整体的动能Γ：
这里的ρ和A分别是梁的密度和横截面积，m0和m1分别是梁和磁铁的质量，从而通过上式可以得到系统的等效质量meq：
同时通过对梁的一阶谐振状态计算，可以得到其等效刚度：
而悬臂梁的等效质量和等效刚度分别为：
通过对比可以看出，两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器与传统悬臂梁相比，磁铁的等效质量占比要小得多，而刚度又大很多，这表示两端夹持磁-力-电(MME)能量收集器可以承载更多的磁铁从而增加输出功率。
如图3所示，对能量收集器中的PZT陶瓷长度a，黄铜梁长度L以及PZT间距s做了优化，保证在共振频率保持在50Hz的条件下，使能量收集器的收集器效率更高，且能稳定工作。通过实验对比，发现PZT陶瓷长度a的增加会使能量收集效率先增后减，在40mm左右为最佳；黄铜梁的长度影响共振频率，设为16cm较为合适；PZT陶瓷间距s的增加会使能量收集效率先增后减，设为13mm在小场下的能量回收效率为最佳。
目前制作的50Hz两端夹持能量收集器的尺寸分别为：黄铜梁3尺寸为160mm×10mm×0.5mm，PZT陶瓷尺寸为40mm×7mm×0.3mm，PZT陶瓷间距为13mm。该能量收集器在50Hz交流磁场下得到的输出功率如图4所示。
由图4可得，在1Oe的弱场下，能量收集器的最佳负载输出能达到1mW以上，在低于0.5Oe的弱场下也能达到将近400μW的负载输出。
为了解决本发明的技术问题，本发明提出了一种基于两端固定梁的磁场能量收集器，通过桥中心的矩激励，产生二阶弯曲模态以获取周围磁场能量。首先对基于两端固定梁的磁场能量收集器的结构参数进行了优化，实现了低频(93Hz)低幅值(0.48Oe)磁场激励下的功率输出(0.4mW)。然后，通过进一步增加附加磁体重量至66g，制备了适合50Hz磁场能量采集的基于两端固定梁的磁场能量收集器。
实验结果证明：在0.48和0.96Oe的磁场下，基于两端固定梁的磁场能量收集器的平均功率分别为0.37和0.98mW，在低磁场范围(<1Oe)下，与之前报道的MME能量收集器相比，输出功率增加了约250％。
通过与传统MME悬臂梁比较，考虑等效质量和弹簧常数，对最大挠度进行理论计算，揭示了使基于两端固定梁的磁场能量收集器输出功率大大提高的原理。50Hz的低振幅(0.48Oe)磁场还成功地用于为温度/湿度传感器连续供电，这表明基于两端固定梁的磁场能量收集器在物联网应用领域的巨大潜力。
本发明结构理论创新，摈弃传统的悬臂梁结构而采用了新型的两端夹持结构，克服现有技术偏见，其能够在1Oe以下的小磁场强度中产生较高的输出电功率。结构稳定，应用面广，可以收集一般电线产生的磁场能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。