本发明属于振动收集与利用的领域，涉及一种超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统。本发明的系统中板架上固定对称的支架，阶梯轴两端分别放置在支架上，阶梯轴上安装有齿轮，前后两个齿轮通过链条连接，链条与齿轮啮合，拍板固定在链条上，超磁致伸缩材料薄片固定在板架的侧板上，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料薄片上，板架侧板的伸出板上设有收纳盒的，拾取线圈的线端与收纳盒内的整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与电铃连接。本发明以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将回转运动过程产生的瞬时冲击振动能量转化为电能输出。
1.一种超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：板架（1）上固定对称的支架（12），阶梯轴两端分别放置在支架（12）上，阶梯轴上安装有齿轮，前后两个齿轮通过链条（3）连接，链条（3）与齿轮啮合，拍板（2）固定在链条（3）上，超磁致伸缩材料薄片（7）固定在板架（1）的侧板上，拾取线圈（6）缠绕在超磁致伸缩材料薄片（7）上，板架（1）侧板的伸出板上设有收纳盒（8）的，拾取线圈（6）的线端与收纳盒（8）内的整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与电铃（9）连接；
三角形结构的支架（12）顶部有一半圆形槽，支架（12）内设有镂空的三角形，支架（12）两两对称放置在板架（1）的底面上，支架（12）底面和板架（1）底面焊接固定；
主动力施加在阶梯轴一（10）上，阶梯轴一（10）回转运动，带动齿轮一（4）回转运动，齿轮与链条（3）啮合带动链条（3）运动，链条（3）再带动齿轮二（5 ）转动，焊接在滚子链条（3）上的拍板（2）跟着滚子链条（3）一起转动，拍向安装有超磁致伸缩材料薄片（7），缠有拾取线圈（6）的超磁致伸缩材料薄片（7）受到振动，振动会导致超磁致伸缩材料薄片（7）内部的磁化状态发生变化。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：L形结构的板架（1），在侧板上设有一个固定超磁致伸缩材料薄片（7）的矩形凹槽，矩形凹槽下方固定有放置收纳盒（8）的伸出板。
3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：左右对称的圆柱形阶梯轴，由a、b、c、b'、a'五个直径对称的轴段构成，c段为轴径最大段，b段与b'段、a段与a'段直径分别相等且相对于c段呈左右对称分布；阶梯轴c段开有键槽；齿轮套装在阶梯轴的c段上，齿轮和阶梯轴通过键连接；阶梯轴两端的轴承分别安装在两个轴承座内，轴承座安装在支架（12）上。
4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：长方体结构的拍板（2）头部有大于拍板（2）宽度和厚度的长方体；拍板（2）的尾部焊接在链条（3）上。
5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：超磁致伸缩材料薄片（7）呈矩形薄片状，外表面缠绕有拾取线圈（6）；超磁致伸缩材料薄片（7）一端安装在板架（1）的侧板凹槽内。
6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：收纳盒（8）为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在盒体前表面，收纳盒（8）中间有一隔层，隔层与收纳盒（8）后表面不接触留有空隙；盒体左侧面下方开设两个圆形通孔，盒体右侧面上方中心处开设两个圆形通孔；收纳盒（8）底层放置整流滤波电路板，隔层上放置锂电池，导线穿过隔层与后表面的缝隙连接整流滤波电路板和锂电池，收纳盒（8）放置在L形板的伸出板上，收纳盒（8）右侧面与电铃（9）固定。
7.根据权利要求1所述的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，其特征在于：整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈（6）的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈（6）所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在电铃（9）的输入端。
一种超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统
技术领域
[0001] 本发明属于振动收集与利用的领域，涉及一种超磁致伸缩薄片材料为核心元件的通过吸收振动而产生电能的超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统。
背景技术
[0002] 超磁致伸缩材料是现在一种新型材料，在常温下由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生较大变化，在室温下机械能－电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单，正是这些性能优点引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化该材料能够实现机-磁-电间的能量双向转换。超磁致伸缩材料实现了机械能向电磁能的转换因此，可以利用超磁致伸缩材料的这种特性，对瞬时冲击中的振动进行收集，把机械加工中和生活中产生的无用振动充分利用，实现了减振和振动再利用的双重目的。
[0003] 目前针对瞬时冲击能量收集装置的研究，主要是应用压电材料来实现微型电路的能量供给。但是现在压电材料的瞬时冲击利用例如在2017年仪表技术与传感器第8期3-10页发表的基于压电的车载传感器自供电技术研究中提出了，利用压电技术对振动能量进行收集，设计压电式振动能量收集系统以用来解决微功耗传感器供能问题。在2009年振动、测试与诊断第29卷第4期发表的纵向脉冲作用下压电层合杆的动力分析提出了利用波动理论对自由端受瞬时纵向冲击力作用下的压电层合杆进行了动力分析，在截面平面假设下，建立了力电耦合下层合杆的波动方程并进行了分析，但是并没有做出实物实验。
发明内容
[0004] 发明目的：
[0005] 为了实现对运动瞬时冲击机构中的动能进行收集利用，本发明提供了一种以超磁致伸缩材料薄片为核心元件的瞬时冲击振动发电与能量收集系统，通过阶梯轴回转运动带动齿轮链条回转，使拍板拍向超磁致伸缩材料薄片，缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片将振动能量收集起来并转换为电能输出，输出的交变电信号经过有整流、滤波作用的电路板后转换为稳定、直流的电信号，通过导线使电铃响。
[0006] 技术方案：
[0007] 一种超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，板架上固定对称的支架，阶梯轴两端分别放置在支架上，阶梯轴上安装有齿轮，前后两个齿轮通过链条连接，链条与齿轮啮合，拍板固定在链条上，超磁致伸缩材料薄片固定在板架的侧板上，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩材料薄片上，板架侧板的伸出板上设有收纳盒的，拾取线圈的线端与收纳盒内的整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与电铃连接。
[0008] 进一步的，L形结构的板架，在侧板上设有一个固定超磁致伸缩材料薄片的矩形凹槽，矩形凹槽下方固定有放置收纳盒的伸出板。
[0009] 进一步的，左右对称的圆柱形阶梯轴，由a、b、c、b'、a'五个直径对称的轴段构成，c段为轴径最大段，b段与b’段、a段与a’段直径分别相等且相对于c段呈左右对称分布，且轴径对称依次减小；阶梯轴c段开有键槽；齿轮套装在阶梯轴的c段上，齿轮和阶梯轴通过键连接；阶梯轴两端的轴承分别安装在两个轴承座内，轴承座安装在支架上。
[0010] 进一步的，长方体结构的拍板头部有大于拍板宽度和厚度的长方体；拍板的尾部焊接在链条上。
[0011] 进一步的，超磁致伸缩材料薄片呈矩形薄片状，外表面缠绕有拾取线圈；超磁致伸缩材料薄片一端安装在板架的侧板凹槽内。
[0012] 进一步的，收纳盒为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在盒体前表面，收纳盒中间有一隔层，隔层与收纳盒后表面不接触留有空隙；盒体左侧面下方开设两个圆形通孔，盒体右侧面上方中心处开设两个圆形通孔；收纳盒底层放置整流滤波电路板，隔层上放置锂电池，导线穿过隔层与后表面的缝隙连接整流滤波电路板和锂电池，收纳盒放置在L形板的伸出板上，收纳盒右侧面与电铃固定。
[0013] 进一步的，三角形结构的支架顶部有一半圆形槽，支架内设有镂空的三角形，支架两两对称放置在板架的底面上，支架底面和板架底面焊接固定。
[0014] 进一步的，整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在电铃的输入端。
[0015] 优点及效果：
[0016] 本发明是所述超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，具有如下优点和有益效果：
[0017] 本发明以超磁致伸缩薄片为核心元件，通过阶梯轴回转带动齿轮和链条运动，带动拍板，锤击L形板带动超磁致伸缩薄片振动，用拾取线圈拾取产生的电能，实现了将回转运动过程产生的瞬时冲击振动能量转化为电能输出。和压电材料相比较，超磁致伸缩材料的能量密度大，是压电材料的12 38倍，且响应速度特别快。磁致系数也很大，是压电材料的~3 5倍。
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附图说明
[0018] 图1为超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统的总体结构示意图；
[0019] 图2为板架的主视图；
[0020] 图3为板架的右视图；
[0021] 图4为阶梯轴的主视图；
[0022] 图5为阶梯轴的俯视图；
[0023] 图6为拍板的俯视图；
[0024] 图7为拍板的左视图；
[0025] 图8为超磁致伸缩薄片的结构示意图；
[0026] 图9为收纳盒的结构示意图；
[0027] 图10为收纳盒的主视图；
[0028] 图11为收纳盒的俯视图；
[0029] 图12为支架的主视图；
[0030] 图13为支架的左视图；
[0031] 图14为整流滤波电路的工作流程：
[0032] 图15为整流滤波电路板的电路图。
[0033] 1-板架；2-拍板；3-链条；4-齿轮一 ；5-齿轮二；6-拾取线圈；7-超磁致伸缩材料薄片；8-收纳盒；9-电铃；10-阶梯轴一；11-阶梯轴二；12-支架。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0035] 本发明的所述超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统，以超磁致伸缩材料薄片7作为核心元件，采用拾取线圈6将磁通变化转化为电压，实现了将运动过程中产生的振动能量转换为电能输出的过程超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统的工作原理是：主动力施加在阶梯轴一10上，阶梯轴一10回转运动，带动齿轮一4回转运动，齿轮与链条3啮合带动链条3运动，链条3再带动齿轮二5 转动，焊接在滚子链条3上的拍板2跟着滚子链条3一起转动，拍向安装有超磁致伸缩材料薄片7，缠有拾取线圈6的超磁致伸缩材料薄片7受到振动，振动会导致超磁致伸缩材料薄片7内部的磁化状态发生变化即内部的磁通量发生变化，根据法拉第电磁定律，变化的磁场会产生电场，因此在拾取线圈6中会产生感应电动势，输出的交变电信号经过有整流、滤波作用的电路板后转换为稳定、直流的电信号，通过导线使电铃9响。
[0036] 图1是超磁致伸缩式循环瞬时冲击振动发电与能量收集系统的总体结构示意图。工作时阶梯轴回转运动带动齿轮和滚子链条3运动，拍板2锤击带有超磁致伸缩材料薄片7，超磁致伸缩材料薄片7由于受到力的作用产生纵向的弯曲变形引起超磁致伸缩材料薄片7内部的磁化状态发生变化即磁通发生变化，变化的磁通通过缠绕在超磁致伸缩材料薄片7上的拾取线圈6产生感应电压，感应电压通过导线传递到整流滤波电路板上变成稳定、直流的电信号之后，存储到锂电池内，使电铃9发出响声。其余各零件的结构图见图2-图13。
[0037] 如图1所示，板架1上固定对称的支架12，阶梯轴两端分别放置在支架12上，阶梯轴上安装有齿轮，前后两个齿轮通过链条3连接，链条3与齿轮啮合，拍板2固定在链条3上，超磁致伸缩材料薄片7固定在板架1的侧板上，拾取线圈6缠绕在超磁致伸缩材料薄片7上，板架1侧板的伸出板上设有收纳盒8的，拾取线圈6的线端与收纳盒8内的整流滤波电路板的输入端连接，整流滤波电路板的输出端与锂电池的输入端连接，锂电池输出端与电铃9连接。
[0038] 前后两个齿轮分别是齿轮一4和齿轮二5。同样的，阶梯轴也是前后两个分别是阶梯轴一10和阶梯轴二11。
[0039] 如图2和图3所示，L形结构的板架1，在其侧板面上打有一矩形凹槽，侧板面下方处有一伸出板。L形结构的板架1，在侧板上设有一个固定超磁致伸缩材料薄片7的矩形凹槽，矩形凹槽下方固定有放置收纳盒8的伸出板。
[0040] 如图4和图5所示，阶梯轴为左右对称的圆柱形结构。左右对称的圆柱形阶梯轴，由a、b、c、b'、a'五个直径对称的轴段构成，c段为轴径最大段，b段与b’段、a段与a’段直径分别相等且相对于c段呈左右对称分布，且轴径从从c段到两侧是对称依次减小的，即阶梯轴直径的关系是Da=Da'
[0041] 如图6和图7所示，拍板2为长方体结构，拍板2的头部有一大长方体；拍板2的尾部焊接在链条3上。长方体结构的拍板2头部有大于拍板2宽度和厚度的长方体；拍板2的尾部焊接在链条3上。
[0042] 如图8所示，超磁致伸缩材料薄片7呈矩形薄片状，外表面缠绕有拾取线圈6。超磁致伸缩材料薄片7一端间隙安装在板架1的凹槽内。
[0043] 如图9、图10和图11所示，收纳盒8为一面带有开口的薄壁长方体空腔结构，开口位置在箱体前面，收纳盒8中间有一隔层，隔层与收纳盒8后表面不接触留有空隙。箱体左侧面下方开设两个圆形通孔，箱体右侧面上方中心处开设两个圆形通孔；收纳盒8底层放置整流滤波电路板，隔层上放置锂电池，导线穿过隔层与后表面的缝隙连接整流滤波电路板和锂电池，收纳盒8放置在L形板底面，收纳盒8右侧面焊接固定电铃9。
[0044] 如图12和图13所示，三角形结构的支架12，顶部有一半圆形槽，中心处有一三角形的凹槽，支架12两两对称放置在板架1的底面上，支架12底面和板架1底面焊接固定。
[0045] 如图14所示，整流滤波电路板具有对电信号进行整流和滤波的作用，拾取线圈6的输出端连接在整流滤波电路板的输入端，拾取线圈6所产生的变化电信号经过整流滤波电路后变成直流的电信号；整流滤波电路板的输出端连接在锂电池的输入端，锂电池的输出端连接在电铃9的输入端。
[0046] 如图15所示，整流电路板包括电路板、电源变压器、二极管、电容、导线。其中D1、D2、D3、D4分别是二极管，4个二极管形成电桥形式，电容C和电阻RL 并联在电路中，一端和D1、D2的导线相连，另一端和D3、D4的导线相连。
[0047] 在u2的正半周，D1和D3导通，D2、D4截止，电流由电源变压器次级上端经D1→RL→D3回到电源变压器次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压；在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由电源变压器次级的下端经D2→RL→D4回到电源变压器次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。
[0048] 结论：本发明为一种超磁致伸缩式瞬时冲击振动发电与能量收集系统，能够将瞬时冲击转化为电能进行能量的收集与利用。
