CN104218768B - 振动能量换能装置及振动能量收集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振动能量换能装置和振动能量收集电路。该振动能量换能装置包括装置外壳、设置于装置外壳两端的密封盖，设置于密封盖上的电极、设置于装置外壳内的敏感丝、采集线圈、振动弹簧和磁钢，振动弹簧的一端与电极相接触，另一端分别与采集线圈和敏感丝相连，磁钢同极相对分别固定设置于密封盖的内侧。该振动能量收集电路为连接有阻性负载的全桥整流电路，电路中连接电压的正极端和负极端分别与振动能量换能装置两端的电极相连。本发明通过对磁路的设计将敏感丝安装在很小的空间内，在弹簧小幅度震动下，依然保证装置收集到能量，本发明在中低频的振动场合下，具有非常理想的转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够对于日常生活中振动能量的进行收集和转化，回馈到系统电路中再次使用，或者直接对锂电池充电的振动能量换能装置及振动能量收集电路，属于电子领域/新能源领域。
背景技术
敏感丝一般为铁钴钒材料制成，属于半硬磁材料。敏感丝的直径一般只有0.25mm，而长度一般为10mm，从尺寸上来说是非常小的，比家用的绣花针还细还短。敏感丝被放置在交变磁场中时，会被反复磁化，敏感丝磁化过程是其内部磁畴受到外部磁力作用而发生翻转的过程。但是与普通铁磁材料相比，敏感丝的磁畴翻转是非常剧烈的，约在15~50us内完成。当在敏感丝的周围放置线圈并对线圈进行监控时，可以通过示波器清楚的看到尖锐的电压脉冲信号。磁畴翻转的速度与外界交变磁场的频率无关，也就是说外界磁场变化速度快或者慢，对敏感丝内部磁畴翻转的速度没有影响。影响磁畴翻转速度的唯一要素就是外界磁场强度。一旦强度到达阈值，磁畴翻转就会在瞬间完成。虽然敏感丝磁畴翻转的速度非常快，但是，实际其所需要的外界磁场要求很低，约4mT（40Gs高斯）。正是因为其自身体积和重量都很小，同时所需的外界磁场强度也很小，利用敏感丝相对于磁场的微小位移对于振动的监测和能量收集是非常适合的。
振动是人类生活环境中最常见的机械能量形式。行人走动、车辆行驶、体育锻炼等等，一旦物体之间发生了相对位移，就会产生振动。因此实现对这些振动能量的收集，在现实生活中有非常重要的意义。
在集成电路日益发达的今天，不论是单片机、采样电路还是存储器，在休眠时间的休眠功耗电流都低于20uA。对于手持式系统来说，整个系统的休眠功耗电流也不会超过150uA。因此在手持设备中装配具有振动能量收集功能的装置，可以明显的延长电池寿命。
发明内容
针对现有技术中敏感丝所具有的磁敏特性，本发明提供一种振动能量换能装置及振动能量收集电路。
本发明的技术方案是：
一种振动能量换能装置，包括装置外壳、设置于装置外壳两端的密封盖，设置于密封盖上的电极、设置于装置外壳内的敏感丝、采集线圈、振动弹簧和磁钢，所述振动弹簧的一端与电极相接触，另一端分别与采集线圈和敏感丝相连，所述磁钢同极相对分别固定设置于密封盖的内侧。
作为本发明的进一步改进，所述采集线圈为漆包线绕制而成。
作为本发明的进一步改进，所述采集线圈固定设置于装置外壳的中心位置。
作为本发明的进一步改进，所述采集线圈的两端设置有引线，引线焊接于采集线圈两端的振动弹簧上。
作为本发明的进一步改进，所述电极和密封盖为一体式结构，电极的内端通过弹簧自身的压力保证与振动弹簧相接触，另一端接触振动能量换能装置外部。
一种振动能量收集电路，所述振动能量收集电路为连接有阻性负载的全桥整流电路，所述全桥整流电路中连接电压的正极端和负极端分别与振动能量换能装置两端的电极相连，全桥整流电路中的交流输入端和直流输出端分别与阻性负载的两端连接。
本发明的有益效果是：
本发明通过对磁路的设计，将敏感丝安装在很小的空间内，在弹簧小幅度震动下，依然保证装置收集到能量，与目前涉及到的能量收集装置相比，本发明涉及的装置具有瞬间高能量的特点，在中低频的振动场合下，具有非常理想的转化效率。
由于本发明的尺寸和对工作磁场空间的要求很小，可以制成体积很小的装置。对于越来越多便携式设备和更低功耗的电子设备来说，能够在设备上设计安装有这样的装置，能够有效延长其续航时间。
附图说明
图1是本发明振动能量换能装置的拆分结构图；
图2是静止状态下本发明振动能量换能装置的结构示意图；
图3是振动状态下敏感丝运动到左侧的振动能量换能装置结构示意图；
图4是振动状态下敏感丝运动到右侧的振动能量换能装置结构示意图；
图5是振动能量换能装置产生的脉冲电压信号图；
图6是本发明振动能量收集电路的电路图；
图7是本实施例中电流转化电路的简图。
图中：1、装置外壳；2、敏感丝；3、振动弹簧；4、磁钢；5、采集线圈；6、密封盖；7、电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明包括振动能量换能装置及振动能量收集电路。
作为本发明的优选实施例，振动能量换能装置的结构如图1和图2所示，包括：装置外壳1，用于密封安装其内部的敏感丝2、振动弹簧3、磁钢4和采集线圈5。外壳1的两端的密封盖6上设置有电极7，与振动弹簧3相接触。
所涉及的装置外壳1，优选采用塑料材质，比如聚甲醛，外径小于5mm。
所涉及的电极7，和密封盖6设计制造为统一的结构，电极7与振动弹簧4相接触，通过弹簧自身的压力保证接触度。电极6与后端的振动能量收集电路相连接。
所涉及的密封盖6，采用与装置外壳1相同材质，密封盖6上设有电极7，和电极6相对的一面设计有圆形凹槽，用于安放磁钢4。密封盖6与装置外壳1采用螺纹方式紧密连接，还可以增加密封圈和密封胶。
所涉及的采集线圈5，采用漆包线绕制而成，直径小于3mm，长度小于7mm，安装固定在装置外壳1的中心位置。采集线圈5的两端引线焊接在两端的振动弹簧上。
所涉及的磁钢4，成对使用，形状为圆柱形，直径小于3mm，材料为钕铁硼。磁钢4成对使用，安装于密封盖6的圆形凹槽内，采用过盈配合安装并使用黏合剂保证磁钢4与装置外壳1黏合固定。两个磁钢同极相对，比如，如果左侧磁钢N极朝向中心敏感丝2，那么右侧磁钢4也必须N极朝向中心敏感丝2；S极亦然。
所涉及的振动弹簧3，使用铜质材料，具有良好的导电性能。两端的弹簧为统一规格，保证收到振动时，具有较为平衡的受力。振动弹簧3分别与两端密封盖6上的的电极7接触。
所涉及的敏感丝2，其两端分别与两侧的振动弹簧3连接，为了方便连接，在敏感丝2的两端还可以增加相关附件。
作为本发明的优选实施例，振动能量收集电路的电路图如图6和图7所示，包括：整流桥8和电源管理电路9。在两者的配合工作下， 使得振动能量转换装置所收集的振动能量能够被回馈到系统电路中使用或者对锂电池充电。
本发明的工作原理如下：
假设振动能量转换装置的初始状态为静止状态，敏感丝位于中心位置，处于0磁场状态，没有磁化倾向，此时振动能量转换装置的状态如图2所示；当横向震动发生时，弹簧会伸长收缩，带动敏感丝左右运动，此时振动能量转换装置的状态如图3和图4所示。
当敏感丝处于左侧磁场附近时，受到磁场合力为N极和-N极（S极）的周期性作用，敏感丝内部的磁化状态随之变化，导致线圈中磁通量变化，感生出电流，产生一系列正负电压脉冲群。正负电压脉冲群如图5所示，图中，虚线箭头表示正向脉冲回路，实现箭头表示负向脉冲回路。
脉冲群通过后续的整流电路（如图6所示）和电源管理电路（如图7所示），完成机械能的转化和回馈。
振动能量换能装置的原始电压形式类似于交流电压，有正负之分，在阻性负载下的电压幅值约为±5.5v左右，脉冲宽度约为40us。振动能量换能装置后极连接上全桥整流电路，将负相电压反转为正相电压。一般情况下硅二极管的压降较高，约为0.6V左右，在实际使用中，可以使用相同工作原理的肖特基二极管。经过处理的脉冲幅值略有降低，在阻性负载在下的幅值大约在5.0V，电流700uA，脉冲宽度保持不变仍约为40us。经过全桥整形过后的脉冲电压，再接入电源管理电路，通过对每个正向电压斩波，根据实际场合要求，将5.5V的脉冲幅值降低到1.8V~3.6V，脉宽可以拓宽到100us~150us，此时对应的阻性负载来说，在这个时间内可以到达300uA左右。
由于振动能量换能装置尺寸和对工作磁场空间的要求很小，可以制成体积很小的装置。对于越来越多便携式设备和更低功耗的电子设备来说，能够在设备上设计安装有这样的装置，能够有效地延长其续航时间。
在集成电路日益发达的今天，不论是单片机、采样电路还存储器，休眠时间的休眠功耗电流都低于20uA。对于某个手持式系统来说，整个系统的休眠功耗电流也不会超过150uA。在手持设备中装配有本发明的装置，可以明显的延长电池寿命。本发明所涉及的装置也可以组合使用，比如，在某些场合下多个换能装置配合一套收集电路，可以起到增加发电量的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种振动能量换能装置，其特征在于：包括装置外壳(1)、设置于装置外壳(1)两端的密封盖(6)，设置于密封盖(6)上的左电极(7.1)和右电极(7.2)、设置于装置外壳(1)内的敏感丝(2)、采集线圈(5)、左振动弹簧(3.1)、右振动弹簧(3.2)、左磁钢(4.1)和右磁钢(4.2)，所述采集线圈(5)为绕制而成，固定设置于装置外壳(1)的中心位置，采集线圈(5)的两端设置有引线，引线焊接于左振动弹簧(3.1)、右振动弹簧(3.2)上，所述左振动弹簧(3.1)的一端与左电极(7.1)相接触，另一端与敏感丝(2)相连，所述右振动弹簧(3.2)的一端与右电极(7.2)相接触，另一端与敏感丝(2)相连，所述左磁钢(4.1)和右磁钢(4.2)同极相对分别固定设置于密封盖(6)的内侧。
2.根据权利要求1所述的振动能量换能装置，其特征在于：所述采集线圈(5)为漆包线绕制而成。
3.根据权利要求1所述的振动能量换能装置，其特征在于：所述左电极(7.1)和右电极(7.2)和密封盖为一体式结构，左电极(7.1)的内端通过弹簧自身的压力保证与左振动弹簧(3.1)相接触，另一端接触振动能量换能装置外部，右电极(7.2)的内端通过弹簧自身的压力保证与右振动弹簧(3.2)相接触，另一端接触振动能量换能装置外部。
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