CN106899190A - 一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，包括：基底、绝缘层、感应线圈绕组、永磁体、软磁铁芯、两侧软磁、软磁摆臂和软磁振子，永磁体布置在基底下，线圈绕组下，感应线圈固定在绝缘衬底中，绕组两侧的软磁铁芯与永磁N、S极分别相连，绕组中央铁芯位于永磁体中央，软磁摆臂与中央铁芯相连，软磁振子位于软磁摆臂末端。软磁振子发生双稳态振动，线圈中磁通发生反转，磁通更加集中，机-电能量转换效率高、工作带宽大、易于集成制造。

Description

一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的采集器，特别是一种基于磁通转向的定圈式微机械电磁振动能量采集器。

背景技术

随着无线传感器、各类植入式传感器等研究的不断深入，如何为这些器件供电已成为进一步推进其应用研究需要解决的关键问题。振动能量采集技术能够将环境中普遍存在的低频机械振动能转化为电能，从而全天候、长期(10年以上)输出电能，克服传统的电池及电源线供电方式所带来的铺设、更换成本高、难以为植入式器件供电等缺陷，因此已成为解决上述问题的主流方案之一。

目前微型化振动能量采集器的工作带宽和输出功率太低，已成为限制其应用的瓶颈问题之一。究其原因，根据理论分析，对于微型振动式能量采集器而言，其能量传递过程实际上可以分为两个阶段，首先是内部振子在输入的环境振动的作用下发生受迫振动、实现机械能的传递；其次是振子振动导致通过线圈绕组的磁通量改变，在法拉第电磁感应效应作用下产生感生电动势，完成机械能向电能的转换。由于输入的环境振动能取决于所处环境，无法随意调整，因此提高器件的工作带宽和输出功率的关键在于如何针对输入环境振动的特点提高上述环节中的能量传递-转换效率。

现有研究分别从利用双稳态振动提高振动能量传递效率和利用磁路优化提高能量转换效率的角度开展了大量的探索，但由于仅从单方面因素考虑，分别局限在结构动力学优化及磁路优化领域，难于从机-电能量传递/转换全过程的角度对能量转换效率进行整体性优化，难以充分发掘这两种方法相辅相成、提升器件性能方面的巨大潜力。且许多方案都是宏观器件层面上的原理性试验，难以应用在微型化器件中。如何在空间有限的微型器件中，综合运用上述方法提高器件性能，仍是亟待解决的应用关键问题。

经对现有技术文献的检索发现，Xing等在《Applied Physics Letters》(应用物理快报)，Vol95,No.134103,2009撰文“Wideband vibration energyharvester with high permeability magnetic material(基于高磁导率磁性材料的宽频振动能量采集器)”，该文提出一种磁路结构，通过铁芯振动过程中，在两个磁极相反方向的偏置永磁体之间来回切换，不仅改变磁通量的大小，更改变其方向，从而大幅度改变通过感应线圈中的磁通量变化率。实验结果表明，在相同输入振动作用下，与仅改变磁通大小相比，通过磁性反转同时改变磁通方向和大小，能将输出电压峰值从约8mV提升至544mV，提高约两个数量级。同时，工作带宽也明显增加，展示了磁路优化的在提升能力转换效率方面的巨大潜力。但是上述方案由于磁路是开放式的，相当一部分磁通并没有进入感应线圈绕组，而是发散开来的，从磁路优化的角度，仍有巨大的潜力没有被充分挖掘出来。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，使其满足对振动能量机-电能量转换效率高、工作带宽大、易于集成制造等方面的综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，

一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，包括：基底、绝缘层、感应线圈绕组、永磁体、软磁铁芯、两侧软磁、软磁摆臂和软磁振子，永磁体布置在基底下，永磁体上表面与基底下表面平齐，位于感应线圈绕组下；绝缘层位于基底上；感应线圈绕组固定在绝缘层中；位于感应线圈绕组的两侧软磁固定在绝缘层中，与永磁体N、S极分别相连；感应线圈绕组的软磁铁芯位于永磁体中央，软磁铁芯的下半部分位于绝缘层中，上半部分高出绝缘层；软磁摆臂与软磁铁芯上半部分相连；软磁振子位于软磁摆臂末端。

进一步的，所述永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体左侧和右侧，永磁固定于基底下，上表面与基底下表面平齐，工作过程中相对于基底不动。

进一步的，所述软磁铁芯立方体或圆柱体，位于永磁体中间，连接永磁体穿过感应线圈绕组中央，下半部分位于绝缘层中，上半部分高出绝缘层。

进一步的，所述两侧软磁分别位于永磁体两端，在工作过程中与软磁振子进行磁传导，使得磁路闭合。永磁体两端的软磁的尾部(远离永磁端)的面积增大，以便与软磁振子有效进行磁传导。

进一步的，所述软磁摆臂为悬臂梁，与软磁铁芯连接，悬空于绝缘层上方，长度为1-10毫米，宽度为10-50um，厚度为30-100微米。厚宽比保证在5:1以上。较大的长厚比保证了悬臂梁以欧拉梁的形式振动，沿工作平面振动方向工作，不出现其它方向的振动或扭转。

进一步的，所述软磁振子为立方体或圆柱体，无论是N极还是S极对于软磁振子的作用力大小相等，方向相反，软磁振子较大的面积保证了与两侧软磁有效进行磁传导。

进一步的，所述的感应线圈绕组，固定于绝缘层中，工作过程中相对于基底不动，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内。

本发明主要用于高效采集自然界环境中广泛存在的各种振动能。永磁体固定在基底下，与传统的动铁式能量采集器相比，永磁的集成制造更加便利，其N、S极分别与绕组两侧的软磁铁芯相连，绕组中央铁芯位于永磁体中央。无论是N极还是S极对于软磁振子的作用力大小相等，方向相反，当外界振动输入时，软磁振子向一侧运动，与一侧铁芯距离小于另一侧，磁力平衡被打破，软磁悬空摆臂在外界环境振动与失衡磁力共同作用下在两侧的软测铁芯间发生双稳态振动。当软磁摆臂运动到与N极相连的软磁一侧时，永磁N极-永磁中间-软磁铁芯-软磁摆臂-软磁振子-左侧软磁-永磁N极形成一个闭合的磁路，通过线圈中的磁通为由上向下；当软磁摆臂运动到与S极相连的软磁一侧时，永磁S极-永磁中间-软磁铁芯-软磁摆臂-软磁振子-右侧软磁-永磁S极形成一个闭合的磁路，通过线圈中的磁通为由下向上。从而在振动过程中，通过感应线圈绕组中的磁通量不仅大小发生变化、而且方向发生反转，使其输出感应电压显著增加，在拓宽工作频率范围的同时，明显增大输出功率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：将磁性反转与双稳态振动有机融合，永磁与软磁振子之间的作用使得软磁振子工作在双稳状态，拓宽了工作频率范围，永磁与软磁构成的回路，使得振动过程中，通过感应线圈绕组中的磁通量不仅大小发生变化、而且方向发生反转，并且闭合回路使得磁力线更加集中，使其输出感应电压显著增加，在拓宽工作频率范围的同时，明显增大输出功率。本发明将永磁体固定在基底下，与传统的动铁式能量采集器相比，减少了永磁装配中的困难，集成制造更加便利。两侧软磁尾部面积加大的设计，使得软磁间的磁传导更加有效。最后所设计的固定线圈结构便于采用微机械技术制作，与可动线圈的方案相比，易于制作层数较多的线圈绕组而不需要大量采用昂贵的仪器设备，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明结构的工作示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：基底1、绝缘层2、感应线圈绕组3、永磁体4、中央软磁铁芯5、左侧软磁6，右侧软磁7，软磁摆臂8和软磁振子9。

所述基底1为玻璃或硅，长为40-45毫米，宽为30-35毫米，厚为0.5mm-3mm。

所述绝缘层2为氧化铝或聚酰亚胺，位于基底1上，厚度为10-30微米。

所述的感应线圈绕组3，固定于绝缘层中2，工作过程中相对于基底1不动，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，感应线圈绕组3的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内。感应线圈绕组3之间有氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯等绝缘材料。

所述永磁体4形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体4左侧和右侧，永磁体4固定于基底1内，上表面与基底1上表面平齐，工作过程中相对于基底1不动。

所述软磁铁芯5立方体或圆柱体，位于永磁体4中间，连接永磁体4穿过感应线圈绕组3。

所述左侧软磁6位于永磁体4的N极端，在工作过程中与软磁振子9进行磁传导，使得磁路闭合。永磁体4两端的软磁的尾部(远离永磁端)的面积增大，以便与软磁振子9有效进行磁传导。

所述左侧软磁7位于永磁体S极端，在工作过程中与软磁振子9进行磁传导，使得磁路闭合。永磁体4两端的软磁的尾部(远离永磁端)的面积增大，以便与软磁振子9有效进行磁传导。

所述软磁摆臂8为悬臂梁，长度为10-20毫米，宽度为5-10mm，厚度为30-100微米。长厚比保证在100:1以上。较大的长厚比保证了悬臂梁以欧拉梁的形式振动，沿工作平面振动方向工作，不出现其它方向的振动或扭转。

所述软磁振子9为立方体或圆柱体，软磁振子的边长或直径在50-200um，对应较大的面积保证了与两侧的软磁有效进行磁传导。

永磁体4固定在基底1内，与传统的动铁式能量采集器相比，永磁的集成制造更加便利，其N、S极分别与左侧铁芯6和右侧铁芯7相连，软磁铁芯5位于永磁体4中央。无论是N极还是S极对于软磁振子9的作用力大小相等，方向相反，当外界振动输入时，软磁振子9向一侧运动，与一侧铁芯距离小于另一侧，磁力平衡被打破，软磁摆臂8在外界环境振动与失衡磁力共同作用下在两侧的软磁铁芯间发生双稳态振动。当软磁摆臂8运动到左侧软磁7(与N极相连)一侧时，永磁体N极-永磁中间-软磁铁芯-软磁摆臂-软磁振子-左侧软磁-永磁N极形成一个闭合的磁路，通过感应线圈绕组3中的磁通为由上向下；当软磁摆臂8运动到与S极相连的软磁一侧时，永磁S极-永磁中间-软磁铁芯-软磁摆臂-软磁振子-右侧软磁-永磁S极形成一个闭合的磁路，通过感应线圈绕组3中的磁通为由下向上。从而在振动过程中，通过感应线圈绕组3中的磁通量不仅大小发生变化、而且方向发生反转，使其输出感应电压显著增加，在拓宽工作频率范围的同时，明显增大输出功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，包括：基底、绝缘层、感应线圈绕组、永磁体、软磁铁芯、两侧软磁、软磁摆臂和软磁振子，其特征在于：永磁体布置在基底下，永磁体上表面与基底下表面平齐，位于感应线圈绕组下；绝缘层位于基底上；感应线圈绕组固定在绝缘层中；位于感应线圈绕组的两侧软磁固定在绝缘层中，与永磁体N、S极分别相连；感应线圈绕组的软磁铁芯位于永磁体中央，软磁铁芯的下半部分位于绝缘层中，上半部分高出绝缘层；软磁摆臂与软磁铁芯上半部分相连；软磁振子位于软磁摆臂末端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述永磁体，形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体左侧和右侧，永磁体固定于基底下，永磁体上表面与基底下表面平齐，工作过程中相对于基底不动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述软磁铁芯为立方体或圆柱体，位于永磁体中间，连接永磁体穿过感应线圈绕组中央。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述两侧软磁，分别位于永磁体两端，在工作过程中与软磁振子进行磁传导，使得磁路闭合，永磁体两端的软磁的尾部的面积增大，以便与软磁振子有效进行磁传导。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述软磁摆臂为悬臂梁，与软磁铁芯连接，悬空于绝缘层上方。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述软磁摆臂，长度为1-10毫米，宽度为10-50um，厚度为30-100微米，厚宽比保证在5:1以上，保证悬臂梁以欧拉梁的形式振动，沿工作平面振动方向工作，不出现其它方向的振动或扭转。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征是，所述软磁振子为立方体或圆柱体，无论是N极还是S极对于软磁振子的作用力大小相等，方向相反。

8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征是，所述软磁摆臂在外界环境振动与失衡磁力共同作用下在两侧软磁间发生双稳态振动。

9.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征是，所述永磁体与软磁构成的回路，使得振动过程中，通过感应线圈绕组中的磁通量不仅大小发生变化、而且方向发生反转，并且闭合回路使得磁力线更加集中。

10.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征是，所述的感应线圈绕组，固定于绝缘层中，工作过程中相对于基底不动，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内。