CN106533113A - 一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器，其主要由底座、滚轮、磁铁支架、弹簧、磁铁、线圈支架、线圈、右挡板、左挡板和顶盖构成。滚轮放在外框架(由底座、线圈支架、线圈、右挡板、左挡板和顶盖构成)的底座的滑槽内，内框架(由磁铁支架、弹簧和磁铁构成)放在滚轮上，内框架的弹簧的自由端与外框架的左右挡板之间有初始间距。在水平方向的环境振动作用下，滚轮的滚动将引起内框架与外框架发生相对运动，导致磁铁相对于线圈运动，从而产生感生电动势为负载供电。本发明提出的采集器可以高效采集环境中微弱的低频、宽带振动能，在无线传感等领域具有广阔应用前景。

Description

一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器

技术领域

本发明属于无线传感器网络和可再生能源领域，特别涉及到一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器结构。

背景技术

随着集成电路、微***、无线通讯等技术的发展，综合了嵌入式技术、传感器技术、无线通信技术的无线传感器网络正在对人类生活生产方式产生重大影响,其在军事、环境、医疗、家庭和其它的商用领域有着广阔的应用前景。然而，大多数无线传感网络节点仍然使用传统电池供电，特别是当节点布置在野外条件比较恶劣的环境中时，要定期更换电池是几乎不可能的。这样，有限的电池电量就决定着网络的生命周期，这极大地限制了无线传感器网络的应用。为此，通过将无线传感器节点布置现场中广泛存在的动能(振动能、风能、流水动能等)转换为电能，从而实现节点的自供能，是解决无线传感器节点供能问题的一种有效方法，逐步成为国内外微能源研究的热点。

振动能在自然环境中广泛存在，国内外对将环境振动能转换为电能的微型振动能采集器进行了***深入的研究。典型的振动能采集***大多基于谐振机理，其典型结构是一个弹簧-质量块***，只有当环境振动频率与采集器***的固有频率匹配时，采集***才有较大输出功率。一旦环境振动频率偏离采集***的固有频率，输出功率急剧降低。根据调查，人体、汽车、树木和建筑物等产生的振动大多是50Hz以下的低频振动，且同时具有微弱、频带宽度大等特点。然而，国内外现有的振动能采集器频带较窄、固有频率较高，且对微弱振动能的采集效率低下。开展环境中微弱的低频、宽带振动能的高效采集方法，对促进微型振动能采集器在无线传感器网络等领域的广泛应用具有重要意义。

本发明提出一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器,对环境中微弱的低频、宽带振动能具有较高采集效率，可广泛应用于无线传感器网络等领域。

发明内容

本发明提出一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器，该采集器可以采集环境中的微弱、低频、宽带振动能。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器，其主要由底座、左挡板、右挡板、顶盖、磁铁支架、磁铁、线圈支架、线圈、滚轮和弹簧构成，其中磁铁固定于磁铁支架上构成磁铁阵列，线圈固定于线圈支架上构成线圈阵列，弹簧的一端固定于磁铁支架上，另一端与外框架的左右挡板之间有初始间距。

底座、线圈支架、线圈、左挡板、右挡板和顶盖之间通过螺钉连接构成采集器的外框架；磁铁支架、弹簧和磁铁构成内框架，且内框架上弹簧的自由端与外框架的左右挡板之间有一定的***行程；滚轮作为外框架和内框架之间的连接部件，放在外框架的底座和内框架磁铁支架上对应的滑槽内，可沿着滑槽方向滚动。

采集器在水平方向的环境振动作用下，滚轮的滚动将引起内框架与外框架发生相对运动，导致磁铁相对于线圈运动。当内框架与外框架的相对位移要超过二者之间的初始间距时，内框架与外框架将发生碰撞，该碰撞过程将引起较大的能量损失。本发明在内框架上设置了弹簧，可以将碰撞前内框架和外框架的部分动能转化为弹簧的弹性势能储存起来，从而降低能量损失。内框架的弹簧的自由端与外框架的左右挡板之间设置有初始间距，当内框架相对于外框架运动超过该初始间距时，磁铁支架上的弹簧受压缩，在内框架向外框架的挡板靠近过程中，内框架和外框架的部分动能转化为弹簧的弹性势能，在内框架和外框架分离过程中，弹簧内储存的弹性势能转换将使内框架和外框架产生另一个方向的相对运动，使二者的相对运动的速度得到放大，提高了磁通量的变化率，从而增大了感生电动势。如此，磁铁与线圈之间产生周期往复的相对运动，产生感应电动势，从而将外界的振动能转换为电能，经过后续电路处理后即可为无线传感器节点等供电。

通过引入滚轮，本发明提出的基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器不再是一个简单的弹簧-质量***，在工作过程中存在两种不同的运动状态。在弹簧没有压缩不存在弹力时，采集器不是一个弹簧-质量块***，没有固有频率；当弹簧压缩存在弹力时，采集器类似于一个弹簧-质量块***，有固有频率。由于在采集器工作时，两种运动状态交替出现，因此该采集器的行为与典型的基于谐振机理的振动能采集器存在显著差异，当环境振动频率在一个较大范围内变化时，采集器都有较高的能量采集效率。更具体地说就是：本发明提出的基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器比常规的谐振式振动能采集器具有更大的频带宽度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器通过引入滚轮，降低了摩擦力制约，增大采集器对微弱振动激励的响应；

2、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器通过引入滚轮，使采集器的内、外框架在低频环境振动作用下更易于发生相对运动，提高了对低频振动能的采集效率；

3、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器通过引入弹簧，降低了内、外框架碰撞所导致的能量损失，从而提高了能量采集效率；

4、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器，通过在运动方向设置北(N)极、南(S)极交替变化的磁场分布，当在环境振动作用下线圈阵列相对于磁铁阵列运动时，通过线圈的磁通量在一个运动周期内发生的方向翻转，产生更大的磁通量变化，从而增大采集器的输出；

5、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器通过引入滚轮和弹簧，使采集器不同于常规的谐振式振动能采集器，具有较大的频带宽度；

6、本发明提出的基于碰撞的电磁式振动能采集器具有结构简单、携带方便、低成本和可批量化生产等优点，在无线传感器网络等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是基于碰撞的电磁式振动能采集器的结构示意图；

图2是线圈阵列及其固定支架的结构示意图；

图3是磁铁、线圈阵列及磁感线方向的示意图；

图4是采集器外框架的结构示意图；

图5是采集器内框架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器，其主要由底座1、滚轮2、磁铁支架3、弹簧4、磁铁5、线圈支架6、线圈7、右挡板8、左挡板9和顶盖10(为完整描述器件内部结构，顶盖未合上)构成，其中磁铁5固定于磁铁支架3上构成磁铁阵列，线圈7固定于线圈支架6上构成线圈阵列，弹簧4一端固定于磁铁支架3上，另一端自由悬空。如图4所示，该采集器的外框架由底座1、线圈支架6、线圈7、右挡板8、左挡板9和顶盖10通过螺钉连接而成；如图5所示，采集器的内框架由磁铁支架3、弹簧4和磁铁5构成，且内框架的弹簧4的自由端与外框架的左右挡板之间有初始间距；外框架与内框架通过滚轮2连接，外框架的底座1和内框架的磁铁支架3上均有供滚轮2运动的滑槽；如图3所示，该采集器共三列磁铁和两列线圈，三列磁铁之间布置两列线圈，且单个磁铁5、线圈7的尺寸与内外框架间的初始间距大致相同，同一列上的相邻磁铁极性都按北(N)、南(S)交替布置，且线圈两侧正对的磁铁的极性相反，即在运动方向设置北(N)极、南(S)极交替变化的磁场分布。

将所述环境动能采集器置于环境中发电时，在水平方向的环境振动作用下，由于外框架与内框架之间采用滚轮2连接，不易在外部振动下保持平衡，滚轮2的滚动将引起外框架与内框架之间发生相对运动，当内框架相对于外框架运动距离超过内框架的弹簧4的自由端与外框架的左右挡板之间的初始间距时，磁铁支架3上的弹簧4受压缩，在内框架向外框架的挡板靠近过程中，内框架和外框架的部分动能转化为弹簧4的弹性势能，在内框架和外框架分离过程中，弹簧4内储存的弹性势能转换将使内框架和外框架产生另一个方向的相对运动，使二者的相对运动的速度得到放大，提高了磁通量的变化率，从而增大了感生电动势。如此，磁铁5与线圈7之间产生周期往复的相对运动，产生感应电动势，从而将外界的振动能转换为电能，经过后续电路处理后即可为无线传感器节点等供电。

由上述分析可知，通过在运动方向设置北(N)极、南(S)极交替变化的磁场分布，当在环境振动作用下线圈阵列相对于磁铁阵列运动时，通过线圈的磁通量在一个运动周期内发生的方向翻转，产生更大的磁通量变化，从而增大采集器的输出；通过引入滚轮2(或其他滚动体)，使得采集器在受到低频、微弱的振动激励时就能产生较高的输出并为无线传感节点供电；通过引入弹簧4(或其他弹性体)，降低内、外碰撞过程中的能量损失，从而提高采集器的能量采集效率；通过引入滚轮2和弹簧4，使采集器不同于常规的谐振式振动能采集器，具有较大的频带宽度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换(如利用压电效应或静电原理实现振动能到电能的转换等)，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器，其主要由底座、左挡板、右挡板、顶盖、磁铁支架、磁铁、线圈支架、线圈、滚轮和弹簧构成；其中磁铁固定于磁铁支架上构成磁铁阵列，线圈固定于线圈支架上构成线圈阵列，弹簧的一端固定于磁铁支架上。在本发明所提出的结构中，底座、线圈支架、线圈、左挡板、右挡板、顶盖通过螺钉连接构成采集器的外框架；磁铁支架、弹簧和磁铁构成内框架，且内框架的弹簧的自由端与外框架的左右挡板之间有一定初始间距；滚轮作为外框架和内框架之间的连接部件，放在外框架的底座和内框架的磁铁支架上对应的滑槽内，沿着滑槽方向滚动。

2.如权利要求1所述的基于碰撞的电磁式振动能采集器，其特征在于：电磁式能量采集器通过引入滚轮，减弱了内、外框架之间的约束，使内框架在环境振动作用下更易于发生相对于外框架的运动，提高了采集器对环境中微弱振动能的采集效率。

3.如权利要求1所述的基于碰撞的电磁式振动能采集器，其特征在于：通过引入滚轮，使采集器的内、外框架在低频环境振动作用下更易于发生相对运动，提高了对低频振动能的采集效率。

4.如权利要求1所述的基于碰撞的电磁式振动能采集器，其特征在于：通过引入弹簧，降低内、外框架碰撞过程中的能量损失，从而提高采集器的能量采集效率。

5.如权利要求1所述的基于碰撞的电磁式振动能采集器，其特征在于：通过引入滚轮和弹簧，使采集器不同于常规的谐振式振动能采集器，具有较大的频带宽度。

6.如权利要求1所述的基于碰撞的电磁式振动能采集器，其特征在于：通过在运动方向设置北(N)极、南(S)极交替变化的磁场分布，当在环境振动作用下线圈阵列相对于磁铁阵列运动时，通过线圈的磁通量在一个运动周期内发生的方向翻转，产生更大的磁通量变化，从而增大采集器的输出。