[发明专利]基于多种磁相变合金的振动能量收集器

说明书

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。

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系统(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，SensorsActuators: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。