CN106160394A - 一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，包括空心管，空心管两端分别固定着端部磁铁，在空心管内部设置有能够沿轴向移动的运动磁铁，运动磁铁和端部磁铁间的作用力均为斥力，空心管的中段外部绕着线圈。空心管包括中段，中段的两侧和加长段通过螺纹连接，加长段的另一侧和端盖螺纹连接，端部磁铁内嵌于端盖中，通过改变加长段长度进而改变运动磁铁的有效运动长度，运动磁铁由两块以上的圆柱形磁铁相互吸附得到，通过改变圆柱形磁铁的块数能够改变运动磁铁的等效质量。本发明能够提高能量俘获的功率，适应不同的外界振动频率，结构简单，拆卸、升级、更换调节方便。

Description

一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置
技术领域
本发明属于电磁式振动能量俘获技术领域，具体涉及一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置。
背景技术
近年来，随着低功耗通信技术和微电子技术的迅速发展，大量的微型传感器、可穿戴和便携式健康监测等设备大量涌现，为人们的生活带来了很大的方便，但是这些设备的供能问题受到了广泛的关注。随着能量俘获技术的日益成熟，利用环境振动和人体运动中产生的能量为这些电子设备供电成为可能。电磁式振动能量俘获装置因其结构简单、内阻较小、输出功率较大、易于实现等特性，成为了当前研究的热点，其主要目的是通过不同的技术手段来提高电磁式振动能量俘获系统的能量俘获效率。
电磁式振动能量俘获装置的研究具有重要的现实意义。首先，其能够为用于信号传输和状态监测的低功耗无线传感器供电，构成一套完全能量自给的系统，以克服定期更换电池的缺点；其次，采集人体运动产生的能量并加以储存，能够为大量的人体便携式电子设备供电，以避免定期充电给人们带来的不便。
截止目前，并未有学者提出过一种能够适应复杂多变的环境振动和人体运动的电磁式振动能量俘获装置。目前已存在的电磁式振动能量俘获装置均采用设定参数的装置，不能根据具体的环境振动及人体运动特点调整其固有频率以满足现实需求。因此，继续开发能够适应多变环境的电磁式振动能量俘获系统仍是目前研究的热点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，以拓宽电磁式振动能量俘获系统的有效频带、提高能量俘获的功率；同时能够方便地改变等效运动质量以及运动长度的范围，以适应不同的外界振动频率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，包括空心管1，空心管1两端分别固定着端部磁铁2，在空心管1内部设置有能够沿轴向移动的运动磁铁3，运动磁铁3和端部磁铁2间的作用力均为斥力，空心管1的中段1-1外部绕着线圈4。
所述的空心管1包括中段1-1、端盖1-2和加长段1-3，中段1-1的两侧和加长段1-3通过螺纹连接，加长段1-3的另一侧和端盖1-2螺纹连接，端部磁铁2内嵌于端盖1-2中，通过改变加长段1-3长度进而改变运动磁铁3的有效运动长度。
所述的运动磁铁3由两块以上的圆柱形磁铁相互吸附得到，通过改变圆柱形磁铁的块数能够改变运动磁铁3的等效质量。
所述端部磁铁2和端盖1-2采用粘合方式连接，或者采用在端盖1-2另一侧外加磁块吸合的方式来固定端部磁铁2。
所述线圈4为铜芯漆包线，与外接输出电路连接。
本发明的有益效果：
通过运动磁铁3运动时线圈4内产生的电能，可以实现能量俘获；通过运动磁铁3和两个端部磁铁2间的斥力作用，实现运动磁铁3的磁弹簧式运动，拓宽电磁式振动能量俘获系统的有效频带，提高能量俘获的功率，使本发明具有较宽的振动频带，解决当前线性系统频带过窄的问题；通过改变圆柱形磁铁的块数能够改变运动磁铁3的等效质量，通过改变加长段1-3的长度进而改变运动磁铁3的有效运动长度，能够方便地调节系统的共振频带，以适应不同频率的环境振动。本发明结构简单，拆卸、升级、更换调节方便。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的结构剖面图。
图3为实施例中心5块磁铁，未使用加长段，加速度为10m/s2时升频和降频激励下的电压响应图。
图4为实施例中心5块磁铁，未使用加长段，加速度为17m/s2时升频和降频激励下的电压响应图。
图5为实施例竖向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，不使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压响应图。
图6为实施例竖向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压响应图。
图7为实施例横向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，不使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压响应图。
图8为实施例横向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压响应图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
参照图1，一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，包括空心管1，空心管1两端分别固定着端部磁铁2，在空心管1内部设置有能够沿轴向移动的运动磁铁3，运动磁铁3和端部磁铁2间的作用力均为斥力，空心管1的中段1-1外部绕着线圈4。
参照图2，所述的空心管1包括中段1-1、端盖1-2和加长段1-3，中段1-1的两侧和加长段1-3通过螺纹连接，加长段1-3的另一侧和端盖1-2螺纹连接，端部磁铁2内嵌于端盖1-2中，通过改变加长段1-3长度进而改变运动磁铁3的有效运动长度。所述空心管1内径为21mm，当使用加长段1-3时，装置总长度为200mm，未使用加长段时装置总长度为140mm。
所述的运动磁铁3由两块以上的圆柱形磁铁相互吸附得到，通过改变圆柱形磁铁的块数能够改变运动磁铁3的等效质量，从而适应不同频率的环境振动。所述圆柱形磁铁直径为20mm，厚度为4mm。
所述端部磁铁2和端盖1-2采用粘合方式连接，或者采用在端盖1-2另一侧外加磁块吸合的方式来固定端部磁铁2。
所述线圈4为铜芯漆包线，与外接输出电路连接。
本装置的工作原理为：在进行振动能量俘获时，对空心管1进行轴向激励，由于端部磁铁2与运动磁铁3间具有的非线性磁力作用，运动磁铁3会产生相对于空心管1的运动，进而产生变化的磁场，由此可在线圈4内产生感应电流，通过将线圈4中的电流引出并接入示波器进行采集的方法，可以得到通过外部电阻(示波器内阻)的电压变化曲线。在电路中接入电阻后，该装置产生的电流可以为电阻供电，从而实现对振动能量的俘获。通过运动磁铁3和两个端部磁铁2间的斥力，实现运动磁铁3的磁弹簧式运动，拓宽电磁式振动能量俘获的有效频带，提高能量俘获的功率。
激振器振动能量俘获实验：未使用加长段1-3，且运动磁铁3包含五块磁铁的情况下，通过激振器对空心管1进行轴向激励，当加速度设置为10m/s2和17m/s2的时候，分别记录下装置在升频与降频激励下的电压输出响应。图3为加速度为10m/s2时，升频和降频激励下的开路电压信号，图4为加速度为17m/s2时，升频和降频激励下的开路电压信号，对比图3和图4，本发明具有优良的能量俘获性能。
人体运动能量俘获实验：本装置既可竖向又可横向绑缚于人体的小腿部位，实验时装置外接5欧姆的电阻，通过改变运动磁铁3的块数和运动磁铁3的有效运动长度来测试不同情况下的能量俘获效率。由于人体运动时的小腿的摆动及冲击作用，线圈4中会产生感应电流。图5为竖向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，不使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压输出。图6为竖向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压输出。图7为横向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，不使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压输出。图8为横向绑缚，中心三块磁铁和六块磁铁，使用加长段，人体运动速度为8km/h时的电压输出。图5-图8的结果证明，本发明用于人体运动能量俘获时具有较高的俘能效率。

Claims (5)

1.一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，包括空心管(1)，其特征在于：空心管(1)两端分别固定着端部磁铁(2)，在空心管(1)内部设置有能够沿轴向移动的运动磁铁(3)，运动磁铁(3)和端部磁铁(2)间的作用力均为斥力，空心管(1)的中段(1-1)外部绕着线圈(4)。
2.根据权利要求1所述的一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述的空心管(1)包括中段(1-1)、端盖(1-2)和加长段(1-3)，中段(1-1)的两侧和加长段(1-3)通过螺纹连接，加长段(1-3)的另一侧和端盖(1-2)螺纹连接，端部磁铁(2)内嵌于端盖(1-2)中，通过改变加长段(1-3)长度进而改变运动磁铁(3)的有效运动长度。
3.根据权利要求1所述的一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述的运动磁铁(3)由两块以上的圆柱形磁铁相互吸附得到，通过改变圆柱形磁铁的块数能够改变运动磁铁(3)的等效质量。
4.根据权利要求2所述的一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述端部磁铁(2)和端盖(1-2)采用粘合方式连接，或者采用在端盖(1-2)另一侧外加磁块吸合的方式来固定端部磁铁(2)。
5.根据权利要求1所述的一种磁弹簧式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述线圈(4)为铜芯漆包线，与外接输出电路连接。
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