CN110707894A - 基于多种磁相变合金的振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量收集领域，特别为一种基于多种磁相变合金的振动能量收集器，包括：Heusler型合金和MnCoSi基合金分别垂直固定在下层磁轭的两端，永磁体固定在下层磁轭的中间；永磁体上端设置缓冲层，Heusler型合金、MnCoSi基合金和缓冲层的上部设置上层磁轭，在上下层磁轭位于两个永磁体之间的范围中缠绕上线圈，线圈两端连接整流电路和电容器。本发明的振动能量收集器采用Heusler型合金和MnCoSi基合金作为器件的核心部件，利用Heusler型合金和MnCoSi基合金的磁性对应力敏感性，实现弱磁/铁磁态和反铁磁/铁磁态的切换，同时利用磁轭实现在完整磁路中磁力线的传输，使器件中的漏磁现象得到避免，并且有效的增加磁通量的变化，提高能量转换效率。

Description

基于多种磁相变合金的振动能量收集器

技术领域

本发明属于能量收集领域，特别是一种基于多种磁相变合金的振动能量收集器。

背景技术

随着集成电路工艺和微机电***(MEMS)技术的进步，越来越多的低功耗传感设备被应用在生活中的各个方面，极大的改善了人们的生活，如何能为这些广泛分布的器件提供能源是当前该领域急需解决的问题。目前，科学界提出对自然环境中广泛存在的绿色能源，环境中可收集的能量主要有太阳能和风能，但这些能源往往受诸多因素的影响，能量转换效率极低。例如，光能收集只能在阳光较充足的时间段进行，夜里或者阴雨天气几乎难以收集能量；风能在风力等级较低时无法有效收集能量。相较于上述能源，振动能更具普遍性和稳定性。如发动机、机床、行走等在工作时能产生持续和稳定的振动能量，且很少受外界因素的影响，因此振动能作为能量收集的对象具有广阔的发展潜力。目前振动能量收集技术主要包括压电式、电磁式和静电式三种，其能量收集器可以代替一些传统电池为传感器持续供电。

电磁式振动能量收集主要利用法拉第电磁感应定律，通过环境振动使得通过线圈的磁通量发生改变，进而使线圈产生感应电动势，实现从振动机械能到电能的转化。电磁式制作简单，结构稳定，所以相比较于其他形式能量收集的研究要早很多。

国内外的专家学者也在该方向上取得了一些研究成果：“微型电磁式振动能量采集器的设计和电磁特性仿真研究，戴旭涵、方东明等，合肥工业大学学报，第31期，第518-526页，2008年”研究人员研究制作的线圈振动的微型电磁式振动能量采集器，它由永磁体、悬臂梁、线圈等组成。圆形铜线圈位于悬臂梁上，线圈的正下方是一个永磁体，悬臂梁在感受到外界振动之后，可以带动圆形铜线圈所在的平面做上下振动。对优化后的装置结构参数进行仿真，可以得出该装置的最大输出电压为26mV，最大输出功率为5.633uW大小。

同时“Energy harvesting from the nonlinear oscillations of magneticlevitation[J]，Mann B P,Sims N D等，Journal of Sound and Vibration,2009,319(1):515-530”研究人员提出一种利用磁悬浮力来收集非线性振动产生的能量的方法并进行理论分析。该结构由三个圆柱形永磁体和一个圆柱形外壳组成，最上端和最下端的两个永磁体和圆柱形外壳固定在一起，同时可以在需要的时候可以通过螺纹调节两个永磁体的距离，中间的永磁体可以自由移动，相邻的两个永磁体磁极相同相互排斥，磁感应线圈被放置在圆柱体的外侧。该装置可以收集振动能量，通过磁极的相互排斥使磁体来回移动形成共振，改变线圈内的磁通量产生感应电动势，完成对能量的收集。装置被放置在人背包中收集人体在行走情况下的振动能量，可以输出的电量达到300uW-2.5mW。

最近相关研究有“Analysis of an in-plane electromagnetic energyharvester with integrated magnet array[J]，Meng di Han等，Sensors&Actuators:A.Physical,2014年”，研究人员采用电镀10μm厚度CoNiMnP作为微型电磁振动能量收集器的永磁体和质量块，并用电镀铜工艺制作了线圈，实现了一种基于MEMS器件的振动能量收集装置。该装置的的长宽高分别为16mm、8mm、0.53mm。在1g加速度、48Hz的振动激励下，输出的功率为11.06n W。

通过对上述三种电磁振动能量器的结构和原理进行总结，可以发现都是通过磁铁和线圈发生相对运动实现线圈内磁通量发生改变从而产生电能，在相对运动的过程中磁铁产生的磁感线并不能全部通过线圈，使得器件存在漏磁现象，尤其在低频率下漏磁使得磁路中的磁感应强度降低，能量转换效率不高，继而产生的感应电动势较低，电能转换效率低下。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于多磁相变合金的振动能量收集器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于多种磁相变合金的振动能量收集器，收集器包括上层磁轭、Heusler型合金、线圈、缓冲层、永磁体、MnCoSi基合金和下层磁轭；

Heusler型合金、MnCoSi基合金以及永磁体分别垂直固定在下层磁轭的两端和中间；

永磁体上端设置缓冲层，缓冲层和永磁体的高度之和小于Heusler型合金的高度，高于MnCoSi基合金的高度；

上层磁轭和下层磁轭上缠绕线圈，线圈两端连接整流电路和电容器；

Heusler型合金、MnCoSi基合金和缓冲层的上部设置上层磁轭，Heusler型合金、MnCoSi基合金和缓冲层的上端分别位于上层磁轭的两端及中间部分，从而使得收集器形成完整的器件。

进一步地，缓冲层由铁粉和硅橡胶均匀混合而成，所述缓冲层粘接在永磁体上段。

进一步地，硅橡胶为DC184硅橡胶。

进一步地，缓冲层和永磁体的高度之和比磁相变合金材料的高度小2-10mm。

进一步地，Heusler型合金为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变，MnCoSi基合金为反铁磁-铁磁相变合金，其会在拉力升高时发生反铁磁到铁磁的磁性相变。

进一步地，多种磁相变合金材料为Heusler型合金和MnCoSi基合金。

进一步地，上层磁轭和下层磁轭为软磁合金。

进一步地，线圈为单层线圈。

进一步地，永磁体为钕铁硼材料。

一种利用上述的振动能量收集器进行能量收集的方法，具体步骤如下：

(1)磁相变合金材料具有铁磁性，磁感线由永磁体的N极发出，通过缓冲层、上层磁轭、Heusler型合金、MnCoSi基合金以及下层磁轭，回到永磁体S极；

(2)当外界的压力作用在上层磁轭左侧时，部分压力传递至Heusler型合金，诱导Heusler型合金发生铁磁-弱磁相变，同时MnCoSi基合金受到拉力，诱导MnCoSi基合金发生反铁磁-铁磁相变，线圈内的磁通量发生改变，进而产生电流；

(3)当压力撤去后，Heusler型合金由弱磁态变回铁磁态，MnCoSi基合金由铁磁态变回反铁磁态，线圈内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

(4)通过不断地施加/撤去压力，振动能量被不断转化为电能，并将电能储存下来为传感器供电。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)该器件是由磁轭、线圈、多种磁相变合金材料、铁粉、硅橡胶以及永磁体制备得到完整器件，采用Heusler型合金和MnCoSi基合金作为器件的核心部件，利用磁相变合金磁性对应力和拉力的敏感性，实现弱磁/铁磁态和反铁磁/铁磁态的切换，同时利用磁轭实现在完整磁路中磁力线的传输，使器件中的漏磁现象得到避免，有效的增大磁通量的变化量，提高能量转换效率。

(2)器件中固化后的缓冲层+永磁体高度略低于(2mm-10mm)Heusler型合金的高度，略高于(2mm-10mm)MnCoSi基合金的高度可以使振动过程产生的应力有效的作用于磁相变合金，加快磁相变合金的磁性转换速率，更好的实现能量转换。

(3)器件中的缓冲层由铁粉和硅橡胶制备而成，一方面在器件受力时起到缓冲作用，保护永磁体，保证器件可以长时间正常工作。另一方面，利用缓冲层中存在的铁粉实现更好的磁力线传输，减少磁力线的传输损耗。

附图说明

图1是基于多种磁相变合金的振动能量收集器的示意图。

图2是基于多种磁相变合金的振动能量收集器的工作原理图。

其中，1-上层磁轭，2-Heusler型合金，3-线圈，4-缓冲层，5-永磁体，6-MnCoSi基合金，7-下层磁轭。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明公开了一种基于磁相变合金的振动能量收集器，所述的振动能量收集器由上层磁轭1、下层磁轭7、线圈3、Heusler型合金2、MnCoSi基合金6、铁粉、硅橡胶以及永磁体5制备而成。

本发明的振动能收集器制备过程是：先将Heusler型合金2和MnCoSi基合金6分别垂直固定在下层磁轭的两端，而两块永磁体5则固定在下层磁轭的中间；随后将构成硅橡胶的A液和B液以相应的质量比混合均匀得到液体，再将铁粉混合到其中，等到自然冷却固化得到相应的缓冲层4，随后粘接在永磁体5上段，固化后缓冲层4+永磁体5的高度略低于(2mm～10mm)Heusler型合金2的高度，同时略高于(2mm～10mm)MnCoSi基合金6的高度，最后Heusler型合金2、MnCoSi基合金6和两个缓冲层4的上部设置上层磁轭，Heusler型合金2、MnCoSi基合金6和两个缓冲层4的上端分别位于上层磁轭的两端及中间，在上下层磁轭位于两个永磁体之间的范围中缠绕上线圈3，线圈3两端连接整流电路和电容器，从而使得收集器形成完整的器件。

Heusler型合金2为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变，MnCoSi基合金6为反铁磁-铁磁相变合金，其会在拉力升高时发生反铁磁到铁磁的磁性相变。磁相变合金材料3为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变，这两种磁相变合金都具有优良的力学性能。

上层磁轭1和下层磁轭7优选为软磁合金，软磁合金的制备已经有成熟的制备工艺，可以方便得到，同时在磁路中具有优良的磁力线传输性能，防止漏磁。

线圈3优选为单层线圈，单层线圈具有工艺简单，利用率高和单层结构不会发生相间击穿故障等优点。

永磁体5优选为钕铁硼材料，钕铁硼材料的制备已经有成熟的制备工艺，实现商业化，方便易得。

硅橡胶优选为DC184硅橡胶，硅橡胶已经有成熟的制备工艺，实现商业化，方便易得，同时具有良好的弹性，减小器件受力时对永磁体的损坏。

如图2所示，本发明涉及振动能量收集器的工作原理是：

初始时，Heusler型合金2和MnCoSi基合金6具有铁磁性，器件成完整的磁回路，磁感线由永磁体6的N极发出，通过铁粉/硅橡胶混合物、上层磁轭1、Heusler型合金2、MnCoSi基合金6以及下层磁轭4，回到永磁体S极；

当外界的压力作用在上层磁轭1左侧时，部分压力传递至Heusler型合金2，诱导Heusler型合金发生铁磁-弱磁相变，同时MnCoSi基合金6受到拉力，诱导MnCoSi基合金发生反铁磁-铁磁相变，线圈内的磁通量发生改变，进而产生电流；

当压力撤去后，Heusler型合金2由弱磁态变回铁磁态，MnCoSi基合金6由铁磁态变回反铁磁态，线圈内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

通过不断地施加/撤去压力，振动能可被不断转化为电能，并将电能储存下来方便为传感器等器件供电。

本发明能够持续不断地将振动能转换为电能，有助于对新能源的利用和发展，保护环境。

Claims (9)

1.一种基于多种磁相变合金的振动能量收集器，其特征在于，所述收集器包括上层磁轭(1)、Heusler型合金(2)、线圈(3)、缓冲层(4)、永磁体(5)、MnCoSi基合金(6)和下层磁轭(7)；

所述的Heusler型合金(2)、MnCoSi基合金(6)分别垂直固定在下层磁轭(7)的两端，永磁体(5)垂直固定在下层磁轭(7)中间位置；

所述的永磁体(5)上端设置缓冲层(4)，缓冲层(4)和永磁体(5)的高度之和小于Heusler型合金(2)的高度，高于MnCoSi基合金(6)的高度；

所述的上层磁轭(1)和下层磁轭(7)上缠绕线圈(3)，线圈两端连接整流电路和电容器；

所述的Heusler型合金(2)、MnCoSi基合金(6)和缓冲层(4)的上部连接上层磁轭(1)，Heusler型合金(2)、MnCoSi基合金(6)和分别位于上层磁轭(1)的两端，缓冲层(4)位于上层磁轭(1)的中间位置。

2.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述的缓冲层(4)由铁粉和硅橡胶均匀混合而成，所述的缓冲层(4)粘接在永磁体(5)上段。

3.根据权利要求2所述的振动能量收集器，其特征在于，所述的硅橡胶为DC184硅橡胶。

4.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述的缓冲层(4)和永磁体(5)的高度之和比Heusler型合金(2)的高度小2-10mm，比MnCoSi基合金(6)的高度高2-10mm。

5.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述的Heusler型合金(2)为弱磁-铁磁相变合金，其会在压力升高时发生铁磁到弱磁的磁性相变，MnCoSi基合金(6)为反铁磁-铁磁相变合金，其会在拉力升高时发生反铁磁到铁磁的磁性相变。

6.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述上层磁轭(1)和下层磁轭(7)为软磁合金。

7.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述线圈(3)为单层线圈。

8.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述永磁体(5)为钕铁硼材料。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的振动能量收集器进行能量收集的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)Heusler型合金(2)具有铁磁性，磁感线由永磁体(5)的N极发出，通过缓冲层(4)、上层磁轭(1)、Heusler型合金(2)以及下层磁轭(7)，回到永磁体(5)S极；

(2)当外界的压力作用在上层磁轭(1)左侧时，部分压力传递至Heusler型合金(2)，诱导Heusler型合金(2)发生铁磁-弱磁相变，同时MnCoSi基合金(6)受到拉力，诱导MnCoSi基合金(6)发生反铁磁-铁磁相变，线圈(3)内的磁通量发生改变，进而产生电流；

(3)当压力撤去后，Heusler型合金(2)由弱磁态变回铁磁态，MnCoSi基合金(6)由铁磁态变回反铁磁态，线圈(3)内的磁通量相较压力存在时发生改变，产生反向电流，产生的正向和反向电流通过整流电路后实现对电容器的充电；

(4)通过不断地施加/撤去压力，振动能量被不断转化为电能，并将电能储存下来为传感器供电。

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