CN105337470B - 一种振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动能量收集装置，包括外壳、上传动轴、下传动轴、线圈支架、弹性机构、磁铁固定架、强磁铁及电能储存机构。本发明体积小、工作寿命长，通过使弹性机构和磁铁固定架连接，最大效率的转化电能，高效储存能量；且采用强磁铁来提高磁通变化率，在满足输出电压指标的情况下，通过电磁结构优化来提高功率输出。本发明的储能模块带有自动检测断电功能,在电量储满后,会自动切断,防止了储电装置在储电过程中因储电过多而降低使用寿命的损害以及造成安全威胁。

Description

一种振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及振动能量收集技术领域，特别是涉及一种振动能量收集装置。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，新的技术正在日新月异地改变我们的生活，但随之带来的是人们对资源需求的不断增加。长期以来作为人类主要能源的化石能源在不断消耗、不断枯竭，能源危机将不断加剧，人们正迫切寻求可替代能源。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、体育锻炼等待，一旦物体之间发生了相对位移，就会产生振动。这些振动能量都是潜在的可利用能量，实现对这些振动能量的收集，可以为缓解能源紧张提供一种可行的途径。

振动能量收集装置就是通过利用自然界中的各种各样类型的振动，利用一些能量转化规律将这些振动能量转化成电能，并将转化的电能进行存储利用。

目前，振动能量收集装置大多采用基于谐振的弹簧—质量结构，使该结构的谐振频率与外界振动相同，促使振子与机架产生最大的相对运动，进而采用各种机电转换方法，如压电式、静电式或者电磁式机电转换方法，将动能转化成电能。这一解决方案一直以来面临的问题是外界振动与弹簧—质量系统的频率匹配问题，即弹簧—质量系统（无论是压电式的还是静电式与电磁式的弹簧—质量结构）的谐振频率一般都比较高，而外界振动源（例如波浪、车轮的运动或是人体的运动）的频率则普遍比较低，而且振动频率随时间的变化而变化。有些振动能量收集装置的振动幅度较大，设备使用寿命较短。

对于电磁式振动能量收集装置来说，磁通量的变化在闭合线圈上会产生感生电动势，当闭合线圈连接负载时，则会产生对应电流。在磁通变化率确定的条件下，输出电压与功率的调节主要由线圈匝数决定。线圈匝数越多，则就会得到越高的输出电压，但由于受线圈自身内阻的限制，线圈匝数越多，对外形成电流的能力却会下降。且从力学角度考虑，当速度一定时，物体质量越大其动能就越大，所以当弹簧和线圈等轻物连接时，无法收集到振动物体的最大动能，那么将物体的动能转化为电能的效果就较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种振动能量收集装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种振动能量收集装置，包括外壳、上传动轴、下传动轴、线圈支架、弹性机构、磁铁固定架、强磁铁及电能储存机构，所述上传动轴和下传动轴分别与外壳的上、下端滑动连接，上传动轴的下端与下传动轴的上端滑动连接，上传动轴的下端设置在线圈支架内腔的环形凹槽内，线圈支架套装固定在下传动轴的凸缘的上面，线圈支架的外壁上设置有环形凹槽；所述弹性机构分别套装在上传动轴和下传动轴上，强磁铁分别固定在磁铁固定架内腔上下端的环形凹槽内，所述电能储存机构固定连接在外壳侧壁的中部。

进一步地，所述弹性机构包括压簧、波形垫圈、碟形垫圈，压簧分别与磁铁固定架的上、下端螺纹连接，压簧内腔的凸缘分别嵌套在上传动轴和下传动轴的环形凹槽内，波形垫圈套装固定在压簧内腔的凸缘上，碟形垫圈分别固定在磁铁固定架上、下端的环形凹槽内。

进一步地，所述外壳为圆柱体，分为上、下外壳，上外壳与下外壳通过螺纹连接。

进一步地，所述强磁铁采用钕铁硼环形磁铁。

进一步地，所述振动能量收集装置的共振幅度为0.75mm-1mm,共振工作频率为25HZ-35HZ。

进一步地，所述电能储存机构为圆柱体。

进一步地，所述电能储存机构采用电源管理芯片，电源管理芯片包括用于将线圈中的交流电压整流为单方向脉动直流电压的整流电路、用于对所述单方向脉动直流电压进行滤波的滤波电路、用于使直流电压保持稳定的稳压电路、对电能进行储存的储能模块，所述整流电路采用倍压整流电路，滤波电路采用一个电容，稳压电路采用硅稳压管，所述储能模块包括超级电容和锂电池。

进一步地，所述储能模块还包括用于检测电能是否储满的电压检测装置。

本发明的积极有益效果：

1、本发明体积小、工作寿命长，能够高效的转化能量，高效的储存能量。通过使弹性机构和磁铁固定架连接，最大效率的转化电能。

2、通过采用强磁铁来提高磁通变化率，在满足输出电压的指标的情况下，通过电磁结构优化来提高功率输出。

3、储能模块带有自动检测断电功能,在电量储满后,会自动切断,防止了储电装置在储电过程中因储电过多而降低使用寿命的损害以及造成安全威胁。

附图说明

图1为本发明的结构图

图2为本发明刚性力作用部分的结构图

图3为本发明弹性力作用部分的结构图

图4为本发明的立体图

图5为本发明电能储存机构的电路原理框图

图6为本发明电源管理芯片的电路图

图中标号的具体含义为：1为外壳，1-1为上外壳，1-2为下外壳，2为上传动轴，3为下传动轴，3-1为下传动轴的凸缘，4为线圈支架，4-1为线圈支架内腔的环形凹槽，4-2为环形凹槽，5为弹性机构，5-1为压簧，5-1-1为压簧内腔的凸缘，5-2为波形垫圈，5-3为碟形垫圈，6为磁铁固定架，6-1为磁铁固定架内腔的环形凹槽，7为强磁铁，8为电能存储机构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

参见图1、图2、图3、图4，本发明的振动能量收集装置，包括外壳1、上传动轴2、下传动轴3、线圈支架4、弹性机构5、磁铁固定架6、强磁铁7及电能储存机构8，所述上传动轴2和下传动轴3分别与外壳1的上、下端滑动连接，上传动轴2的下端与下传动轴3的上端滑动连接，上传动轴2的下端设置在线圈支架内腔的环形凹槽4-1内，线圈支架4套装固定在下传动轴的凸缘3-1的上面，线圈支架4的外壁上设置有环形凹槽4-2，线圈缠绕在环形凹槽4-2内；所述弹性机构5分别套装在上传动轴2和下传动轴3上，所述强磁铁7分别固定在磁铁固定架内腔上下端的环形凹槽6-1内，所述电能储存机构8固定连接在外壳1侧壁的中部。

所述弹性机构5包括压簧5-1、波形垫圈5-2、碟形垫圈5-3，压簧5-1分别与磁铁固定架6的上、下端螺纹连接，压簧内腔的凸缘5-1-1分别嵌套在上传动轴2和下传动轴3的环形凹槽内，波形垫圈5-3套装固定在压簧内腔的凸缘5-1-1上，碟形垫圈5-3分别固定在磁铁固定架6上、下端的环形凹槽内。

所述外壳1为圆柱体，分为上、下外壳，上外壳1-1与下外壳1-2通过螺纹连接，上外壳1-1的高度大于下外壳1-2。

所述强磁铁7采用钕铁硼环形磁铁，该类型磁铁的磁场强度一般为4000高斯及以上，是其他永磁材料磁铁的数倍或数十倍。当同级磁铁相对放置时，磁力线在磁铁表面发生快速弯曲，由垂直（Z轴方向）方向变为水平（XY轴平面方向）方向。因此在线圈支架4上缠绕线圈时，应将线圈尽量缠绕在磁铁端面处。

所述振动能量收集装置的共振幅度为0.75mm-1mm,共振工作频率为25HZ-35HZ。输出电压为10V，输出功率为0.1W。

所述电能储存机构8为圆柱体，电能储存机构8采用电源管理芯片，参见图5、图6，电源管理芯片包括整流电路、滤波电路、稳压电路、储能模块，所述整流电路采用倍压整流电路，滤波电路采用一个电容，稳压电路采用硅稳压管，所述储能模块包括超级电容、锂电池、电量检测装置。

强磁铁7与感应线圈发生相对运动时，线圈中会产生感应电动势，整流电路利用二极管的单向导电性能，将线圈中的交流电压整流成单方向的脉动直流电压，本申请的整流电路采用倍压整流电路，同时对交流电压进行放大和整流，既减小了电能储存机构的体积，也减少了元器件的损耗。

整流电路输出的直流电压中仍有较大的脉动成分，本申请采用一个电容作为滤波电路，既降低了直流电压中的脉动成分，又保留了直流成分。稳压电路采用硅稳压管进行稳压，当负载电流或者线圈产生的电压发生变化时，也能使输出的直流电压保持稳定。储能模块采用超级电容和锂电池对稳压电路输出的直流电压进行储存。储能装置包括电量检测装置,用于自动检测储电装置中的电量是否储满即是否达到预定闽值,在电量储满时,则不再存储。从而避免了储电过多导致寿命减少和爆炸等危险情况的发生。

本发明的工作原理如下：

磁通量的变化在闭合线圈上会产生感生电动势，当闭合线圈连接负载时，则会产生对应电流。由于振动频率和振动幅度已基本确定，磁通变化时间为定值，则为了提高磁通变化率，需要采用强磁铁和增加磁通面积的方式。在磁通变化率基本确定的条件下，输出电压和功率的调节主要由线圈匝数决定。线圈匝数越多，则输出电压就越高，但由于受到线圈自身内阻的限制，线圈匝数越多，对外形成电流的能力却会下降。当振动能量收集装置的共振幅度控制在0.75mm-1mm内，共振工作频率为30HZ时，将线圈匝数定为2000匝。在线圈匝数为2000匝的条件下，由于输出电压为10V，为了保证输出功率达到0.1W，必须使线圈的内阻小于1000欧姆，通过铜的电阻率可以计算得到当线圈线径大于0.1mm时，线圈的内阻小于1000欧姆。

从力学角度考虑，当振动物体的速度一定时，物体的质量越大，其动能也就越大。因此，本申请使弹性部件和磁体等重物连接，而非与线圈等轻物连接。 由振动学知识可知，当振动物体受到外界力的频率与装置的固有频率相同或成倍数关系时，装置会发生共振，共振状态下装置的振动幅度最大，进而就能产生最大的电能，因此本申请的振动能量收集装置的共振工作频率为25HZ-35HZ。

振动能量收集装置分为刚性力作用部分和弹性力作用部分，刚性力作用部分包括外壳1、上传动轴2、下传动轴3、线圈支架4、电能储存机构8，弹性力作用部分包括压簧5-1、波形垫圈5-2、碟形垫圈5-3、强磁铁7、磁铁固定架6。在使用的过程中，将上传动轴2的上端与振动物体进行螺纹连接，使振动能量收集装置与振动物体固定起来。当物体产生振动时，振动能量收集装置随着振动物体一起运动，刚性力作用部分受到振动物体的振动力后会将振动力通过压簧5-1、波形垫圈5-2、碟形垫圈5-3传递给磁铁固定架6，磁铁固定架6就会带动强磁铁7进行移动，这样强磁铁7就相对于线圈产生了相对运动，从而产生电能，产生出的电能存储在电能储存机构8里。电能储存机构8中包含电能检测装置，电能检测装置会自动检测电能储存机构中的电量是否储存满，即是否达到预定闽值，当电量储满时，就不会再继续储存电量，从而避免了因储电过多而导致装置寿命减少和发生爆炸等危险情况的发生。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种振动能量收集装置,其特征是：包括外壳、上传动轴、下传动轴、线圈支架、弹性机构、磁铁固定架、强磁铁及电能储存机构，所述上传动轴和下传动轴分别与外壳的上、下端滑动连接，上传动轴的下端与下传动轴的上端滑动连接，上传动轴的下端设置在线圈支架内腔的环形凹槽内，线圈支架套装固定在下传动轴的凸缘的上面，线圈支架的外壁上设置有环形凹槽；所述弹性机构分别套装在上传动轴和下传动轴上，所述磁铁固定架匹配滑动套设在上传动轴和下传动轴上，且弹性机构匹配设置在磁铁固定架的上下两端，强磁铁分别固定在磁铁固定架内腔上下端的环形凹槽内，所述电能储存机构固定连接在外壳侧壁的中部；所述弹性机构包括压簧、波形垫圈、碟形垫圈，压簧分别与磁铁固定架的上、下端螺纹连接，压簧内腔的凸缘分别嵌套在上传动轴和下传动轴的环形凹槽内，波形垫圈套装固定在压簧内腔的凸缘上，碟形垫圈分别固定在磁铁固定架上、下端的环形凹槽内；所述线圈支架外壁上的环形凹槽内匹配缠设有线圈，当发生振动时，强磁铁在磁铁固定架的带动下，相对于线圈发生相对运动，从而产生感应电动势。

2.根据权利要求1所述的振动能量收集装置，其特征是：所述外壳为圆柱体，分为上、下外壳，上外壳与下外壳通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的振动能量收集装置，其特征是：所述强磁铁采用钕铁硼环形磁铁。

4.根据权利要求1所述的振动能量收集装置，其特征是：所述振动能量收集装置的共振幅度为0.75mm-1mm,共振工作频率为25HZ-35HZ。

5.根据权利要求1所述的振动能量收集装置，其特征是：所述电能储存机构为圆柱体。

6.根据权利要求1或5所述的振动能量收集装置，其特征是：所述电能储存机构采用电源管理芯片，电源管理芯片包括用于将线圈中的交流电压整流为单方向脉动直流电压的整流电路、用于对所述单方向脉动直流电压进行滤波的滤波电路、用于使直流电压保持稳定的稳压电路、对电能进行储存的储能模块。

7.根据权利要求6所述的振动能量收集装置，其特征是：所述整流电路采用倍压整流电路，滤波电路采用一个电容，稳压电路采用硅稳压管，储能模块包括超级电容和锂电池。

8.根据权利要求6所述的振动能量收集装置，其特征是：所述储能模块还包括用于检测电能是否储满的电压检测装置。