CN111082632B - 一种宽频带低频振动能量采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频带低频振动能量采集装置,包括底板、工作点调节装置、弹簧、弹性片簧、下卡槽、上卡槽、内永磁环、外永磁环、发电永磁体、线圈、第一支架和第二支架,所述工作点调节装置、第一支架分别与底板连接,所述弹簧的一端与工作点调节装置的顶部连接,另一端与下卡槽的底部连接,所述下卡槽通过下压紧环与内永磁环固定连接,所述上卡槽通过上压紧环与内永磁环固定连接,所述发电永磁***于线圈内,并且发电永磁体通过连接杆与上卡槽固定连接,所述线圈通过第一固定框与第一支架固定连接,所述外永磁环通过第二固定框与第一支架固定连接,所述外永磁环套设于内永磁环外侧。本发明结构紧凑,实现宽频带低频的能量采集。

Description

一种宽频带低频振动能量采集装置
技术领域
本发明涉及能量回收领域,具体涉及一种宽频带低频振动能量采集装置。
技术背景
随着微机电***(MEMS)和新型传感技术的发展,传感器正在逐渐智能化、微型化、无线网络化发展,无线传感器网络(WSN)也随之因运而生。而无线传感器节点是无线传感器网络的核心硬件基础,因此保持无线传感器节点长期工作是无线传感器网络应用中必须满足的条件。随着低功耗电路设计技术的快速发展,无线传感器的体积在不断减小,功耗也不断降低。目前毫瓦级甚至微瓦级的电能就能保证一个低功耗的无线传感器节点正常工作,这使得利用电池进行较长时间供电成为可能,但是该方式不足的地方在于:①电池容量有限,且存在相应的使用寿命,必须定期更换;②在高温、强腐蚀等恶劣环境下电池难以使用;③电池体积较大,严重限制了无限传感器节点的微型化和集成化。
为了解决无线传感器节点持续供电的难题,近年来,能量采集技术成为研究热点,它是指收集环境中其他形式的能量并将其转化为电能,并被认为是未来解决无线传感器节点供电问题最具潜力的技术途径,典型的环境能量来源有太阳能、热能、振动能等。振动能由于在自然界广泛存在,则被认为是最好的环境能量来源。若将这些振动能加以应用,则其在无线传感器节点的供电上具有极大应用前景。
早期的振动能量采集器通常被设计成线性的,只有激励频率在谐振频率附近才会产生较大的能量,如果环境激励频率与线性***的谐振频率不匹配则输出的电压大幅降低。由于环境中的振动通常是宽带的,所以这种线性能量采集器效率低下。而双稳态能量采集器在一定程度上解决了这些缺陷,双稳态结构压电能量收集装置是非线性压电能量收集技术在能量收集装置结构设计上的典型运用,双稳态结构压电能量收集装置的应用性很强,压电能量收集装置采用双稳态结构不仅可以增加带宽,降低频率,还可以有效提高输出,增加能量转换效率。目前常见的双稳态能量采集器多为悬臂梁式结构,其缺点在于结构不够紧凑,而且应力集中容易损坏。针对此缺点设计了一种宽频带低频的振动能量采集装置具有较大的价值。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题,本发明提供了一种结构紧凑,能有效的扩展带宽,实现宽频带低频的能量采集的宽频带低频的振动能量采集装置,其具体技术方案如下:
一种宽频带低频振动能量采集装置,包括底板、工作点调节装置、弹簧、弹性片簧、下卡槽、上卡槽、内永磁环、外永磁环、发电永磁体、线圈、第一支架和第二支架,所述工作点调节装置、第一支架分别与底板连接,所述弹簧的一端与工作点调节装置的顶部连接,另一端与下卡槽的底部连接,所述下卡槽通过下压紧环与内永磁环固定连接,所述上卡槽通过上压紧环与内永磁环固定连接,所述发电永磁***于线圈内,并且发电永磁体通过连接杆与上卡槽固定连接,所述线圈通过第一固定框与第一支架固定连接,所述外永磁环通过第二固定框与第一支架固定连接,所述外永磁环套设于内永磁环外侧。
进一步的,所述工作点调节装置的两侧分别设有第二支架,所述第二支架与底板连接,所述上卡槽的两侧对称地连接有弹性片簧,所述上卡槽两侧的弹性片簧分别通过夹紧块与第二支架连接,所述下卡槽的两侧也对称地连接有弹性片簧,所述下卡槽两侧的弹性片簧也分别通过夹紧块与第二支架连接。
进一步的,所述外永磁环可以更换为不同高度的外永磁环。
进一步的,所述外永磁环与内永磁环的垂直方向为磁化方向,且外永磁环与内永磁环之间互斥。
有益效果:1.本发明采用永磁环和线性弹簧并联的结构,当永磁环间的磁斥力与线性弹簧的弹性力相等时形成稳态。
2.本发明采用工作点调节装置对内永磁环的垂向位置进行调节,可以平衡重力带来的势能曲线偏移。
3.本发明相对于悬臂梁结构的能量采集器来说,结构紧凑,受力均匀,可广泛用于工程中。
4.本发明采用弹性片簧和卡槽的轴向导向装置,减少了振子不必要的水平运动。
5.本发明可以实现宽频带的振动能量采集,可以给低功耗的微型传感器等电子元件进行供电,具有实用性。
6.本发明可以通过替换不同高度的外磁环来改变***的势能曲线,使双稳态***变为三稳态***,由于三稳态具有更低的势垒高度和更宽的势阱间距,可以使装置在环境激励较低的情况下实现大幅周期运动,实现更加宽频高效的能量采集。
附图说明
图1为本发明所提供的宽频带低频的振动能量采集装置的结构示意图;
图2为本发明所提供的宽频带低频的振动能量采集装置的主剖视图;
图3为本发明所提供的宽频带低频的振动能量采集装置的双稳态原理图;
图4为本发明所提供的宽频带低频的振动能量采集装置的三稳态原理图;
图5为本发明所提供的宽频带低频的振动能量采集装置的势能曲线变化图。
附图标记:1-底板;2-第二支架;3-夹紧块;4-弹性片簧;5-第一支架;6-第二固定框;7-第一固定框;8-线圈;9-上卡槽;10-上压紧环;11-内永磁环;12-外永磁环;13-下卡槽;14-弹簧;15-工作点调节装置;16-发电永磁体;17-下压紧环;18-连接杆。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,一种宽频带低频振动能量采集装置包括底板1、工作点调节装置15、弹簧14、下卡槽13、上卡槽9、内永磁环11、外永磁环12、发电永磁体16、线圈8、第一支架5和第二支架2,所述底板1通过螺栓分别与第一支架5、第二支架2以及工作点调节装置15连接,所述工作点调节装置15的两侧分别设置有第二支架2,所述弹簧14的一端与工作点调节装置15连接,另一端与下卡槽13的底部连接,所述下卡槽13的顶部固定连接有下压紧环17,所述下压紧环17的顶部与内永磁环11的底部固定连接,所述内永磁环11的顶部固定连接有上压紧环10,所述上压紧环10的顶部与上卡槽9的底部固定连接,通过上压紧环10和下压紧环17对内永磁环11进行压紧,固定内永磁环11的轴向位置。在本发明中工作点调节装置15用于调节内永磁环11的垂向位置,通过工作点调节装置15的升降来调整内永磁环11的高度,采用一般的高度调节装置即可。
如图2所示,所述上卡槽9的顶部固定连接有连接杆18,所述连接杆18的顶端与发电永磁体16固定连接,所述发电永磁体16可移动地置于线圈8内,发电永磁体16与线圈8做相对运动使得线圈8内部的磁通量发生改变,从而产生感应电流,产生的感应电流通过导线引出。
所述线圈8嵌入第一固定框7内,线圈8通过第一固定框7与第一支架5固定连接,所述内永磁环11的外侧套设有外永磁环12,所述外永磁环12与内永磁环11的垂直方向为磁化方向,且外永磁环12与内永磁环11之间互斥,所述外永磁环12嵌入第二固定框6内,外永磁环12通过第二固定框6与第一支架5固定连接。
所述上卡槽9的两侧对称地连接有弹性片簧4,所述上卡槽9两侧的弹性片簧4分别通过夹紧块3与第二支架2连接,所述下卡槽13的两侧也对称地连接有弹性片簧4,所述下卡槽13两侧的弹性片簧4也分别通过夹紧块3与第二支架2连接,所述各夹紧块3分别通过螺栓与第二支架2连接。通过上卡槽9、下卡槽13以及弹性片簧4来限制内永磁环11的自由度,使内永磁环11只能做轴向运动。
本发明所公开的振动能量采集装置在工作时,在外界环境的振动作用下,通过弹簧14和弹性片簧4的弹性回复力,内永磁环11开始振动,并带动发电永磁体16与线圈8做相对运动产生感应电流。当内永磁环11振动到上方的某一个位置时,假设弹性片簧4与弹簧14所产生的弹性回复力大小为F1,外永磁环12对内永磁环11的斥力大小为F2,当F1=F2时,即弹性片簧4和弹簧14共同产生的弹性回复力F1与永磁环之间的磁斥力互相平衡,此时这一位置为双稳态能量采集器的一个稳态位置,同理,在下方对称位置处存在另一稳态位置,如图3所示。若外永磁环12的高度达到一定值时,除了上下两个稳态位置之外,其中间位置同样会形成一个稳态,使得弹性回复力F1=0N,内永磁环11所受的上下表面的磁斥力F2相互抵消,使***形成三稳态,如图4所示。当外界激励达到一定的阈值时,***产生大幅周期运动,显著增加了发电永磁体16的位移,提高了线圈8的磁通量变化率,从而提升能量采集效率。
图5为本发明能量采集装置的势能曲线的变化图,***的刚度项***的势能函数可写作
Figure BDA0002358576410000041
其中系数k1、k3、k5分别为势能函数的多次项系数。当外永磁环12的高度增加时,其中的多次项系数k1上升、k3下降、k5先上升后下降且k5>0,***的势垒高度下降,势阱间距增大。随着外永磁环12的高度继续增加,当k1上升到k1>0时,***由双稳态转变为三稳态,三稳态***拥有更宽的工作带宽,并且可以在低激励幅值下越过势垒做大幅周期运动。因此,在环境激励较低的情况下可以通过改变外永磁环12的高度来拓宽振动能量采集带宽和效率。
本发明的宽频带低频的振动能量采集装置可用于机械结构、建筑结构等方面的振动能量采集,可为低功耗的微电子元件进行供电。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种宽频带低频振动能量采集装置,其特征在于:包括底板(1)、工作点调节装置(15)、弹簧(14)、下卡槽(13)、上卡槽(9)、内永磁环(11)、外永磁环(12)、发电永磁体(16)、线圈(8)、第一支架(5)和第二支架(2),所述工作点调节装置(15)、第一支架(5)分别与底板(1)连接,所述弹簧(14)的一端与工作点调节装置(15)的顶部连接,另一端与下卡槽(13)的底部连接,所述下卡槽(13)通过下压紧环(17)与内永磁环(11)固定连接,所述上卡槽(9)通过上压紧环(10)与内永磁环(11)固定连接,所述发电永磁体(16)位于线圈(8)内,并且发电永磁体(16)通过连接杆(18)与上卡槽(9)固定连接,所述线圈(8)通过第一固定框(7)与第一支架(5)固定连接,所述外永磁环(12)通过第二固定框(6)与第一支架(5)固定连接,所述外永磁环(12)套设于内永磁环(11)外侧;所述工作点调节装置(15)的两侧分别设有第二支架(2),所述第二支架(2)与底板(1)连接,所述上卡槽(9)的两侧对称地连接有弹性片簧(4),所述上卡槽(9)两侧的弹性片簧(4)分别通过夹紧块(3)与第二支架(2)连接,所述下卡槽(13)的两侧也对称地连接有弹性片簧(4),所述下卡槽(13)两侧的弹性片簧(4)也分别通过夹紧块(3)与第二支架(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带低频振动能量采集装置,其特征在于:所述外永磁环(12)可以更换为不同高度的外永磁环(12)。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带低频振动能量采集装置,其特征在于:所述外永磁环(12)与内永磁环(11)的垂直方向为磁化方向,且外永磁环(12)与内永磁环(11)之间互斥。
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