[发明专利]一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置

摘要

本发明涉及一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，属于能量采集技术领域。本发明利用压电悬臂梁(单晶片或双晶片)与永磁体构成的复合磁电结构进行导线周围工频磁场能量的采集，通过理论模型计算或者磁场数值仿真确定最佳放置位置以期最佳的复合磁耦合效应，即磁场力与磁力矩的最佳配合，借助永磁体与交流磁场之间磁场力与磁力矩的复合磁耦合效应产生激励，实现磁场能到机械能转化，压电悬臂梁的压电效应将机械能转化为可用电能，为传感器等小功率电子设备供电或充电，本发明装置具有体积小、制作成本低、工作安全可靠、便于安装维护等优点，具有广阔的应用前景。

主权项

一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置，其特征在于该装置的制备过程包括以下各步骤：(1)该装置包括梁紧固件、压电悬臂梁、整流稳压器和永磁体，所述的梁紧固件用于使压电悬臂梁的一端固定在任意一个物体上，所述的永磁体固定在压电悬臂梁的另一端，压电悬臂梁由压电层和弹性层两层相互粘结而成，或由压电层、弹性层和压电层三层依次相互粘结而成，所述的压电层通过导线与整流稳压器相连，整流稳压器通过导线与能量使用装置相连；将提供能量的导线的中心轴任意一点定义为三维坐标的原点O，永磁体中心在该三维坐标中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，永磁体中心与梁紧固件之间的距离即等效压电悬臂梁长度为l_eff；(2)通过以下公式计算由提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁感应强度矢量B_e：$B_e={\mathrm{\μH}}_e=\frac{{\mathrm{\μxI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_x-\frac{{\mathrm{\μyI}}_{\mathrm{line}}}{2\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{e}_y$其中，I_line为提供能量的导线中的电流值，H_e为提供能量的导线中的电流产生的磁场中任一点(x,y,z)处的磁场强度矢量，μ为永磁体的磁导率，e_x和e_y分别为水平方向和竖直方向的单位向量；(3)利用下式计算永磁体的每个微单元与提供能量的导线中电流产生的磁场之间耦合产生的磁场力ΔF和磁力矩Δτ：Δτ＝|Δm×B_e|$\mathrm{\ΔF}=\▿(\mathrm{\Δm}\·B_e)=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂x}{e}_x+\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}{e}_y$其中，Δm为永磁体微单元的磁矩，该磁矩的方向与永磁体的磁化强度M方向一致，Δm＝MΔV，ΔV为永磁体微单元的体积，对于压电悬臂梁，上述磁场力ΔF的有效磁场力分量为：${\mathrm{\ΔF}}_y=\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$(4)根据上述有效磁场力ΔF_y和磁力矩Δτ，通过下式计算得到永磁体受到的有效磁场力F_y和磁力矩τ：$F_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}{\mathrm{\ΔF}}_y=\underset{V}{\∫\∫\∫}\frac{\∂(\mathrm{\Δm}\·B_e)}{\∂y}$$\mathrm{\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{\Δ\τ}=\underset{V}{\∫\∫\∫}|\mathrm{\Δm}\×B_e|$其中，V为永磁体的体积区域：$V=\left\{(x,y,z)\right|x_0-\frac{L}{2}\≤x\≤x_0+\frac{L}{2},y_0-\frac{h}{2}\≤y\≤y_0+\frac{h}{2},z_0-\frac{b}{2}\≤z\≤z_0+\frac{b}{2}\}$其中，L、b和h分别为永磁体的长、宽和高；(5)利用下式，将上述得到的磁力矩τ等效为使压电悬臂梁产生相同形变的端部作用力F_eq：F_eq＝3τ/2l_eff其中，l_eff为等效压电悬臂梁长度；进而得到的压电悬臂梁端部受力为F_s＝F_y+F_eq；(6)根据提供能量的导线的类型，设定永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳垂直距离为y₁，永磁体中心与提供能量的导线之间的最佳水平距离x₁为：满足公式dF_s/dx₀＝0时，使x₁＝x₀，永磁体中心与提供能量的导线平行方向的坐标z₁为任意值；(7)将永磁体固定在压电悬臂梁的端部，使永磁体的中心位置为(x₁,y₁,z₁)，构成一个从提供能量的导线磁场中采集能量的装置。