CN106160396B - 一种电磁式振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器引入了定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，在外界低频随机激振下，转子磁铁绕着定子磁铁进行旋转，同时与呈圆周分布的电磁线圈发生相对运动，从而产生电能输出，实现高效能量收集，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集，工作频率低、频带宽、适用范围广。

Description

一种电磁式振动能量收集器

技术领域

本发明属于电能收集器设计技术领域，具体涉及一种电磁式振动能量收集器。

背景技术

无线传感网络技术在军事、智能交通、环境监测等方面得到了广泛的应用。传感器节点部署环境的复杂性和实际应用要求的特殊性，决定了节点电源不能利用正常的电力系统进行供电，采用电池供电的方式又存在着成本高、寿命短、更换麻烦等问题。

自然环境中具有各种丰富的能源，能量收集技术是一种从外部环境中获取能量转化为电能的技术，是解决无线传感节点供电问题的潜在方式。收集环境动能并转化成电能，具有绿色环保、来源广泛、能够长期工作的优势。然而由于环境中的振动源普遍频率低且频带宽，振动幅值、频率和方向的随机性大，当前谐振式振动能量收集器普遍工作频率高(大于10Hz)，且往往具有较窄的工作频带和单一振动方向，环境适应性差。装置在小于10Hz的低频振动环境下电量输出低，因此普遍存在的问题是适用振动范围窄、输出功率密度低，难以满足无线传感节点的自供电需求。

本发明针对环境中的振动源频率低且频带宽，振动幅值、频率和方向的随机性大的特点，设计一种电磁式的旋转能量收集器，引入定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，实现转子磁铁绕定子磁铁的旋转结构，从而实现磁铁与线圈之间快速的相对运动，实现高效能量收集。本装置结构简单、能量转换效率高，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，通过引入定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，实现转子磁铁绕定子磁铁的旋转结构，从而实现磁铁与线圈之间快速的相对运动，实现高效能量收集，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集。

根据本发明的目的提出的一种电磁式振动能量收集器，用以将振动能转换为电能，所述振动能量收集器包括固定设置的一定子磁铁，分布于定子磁铁外圈的至少一电磁线圈，所述定子磁铁的周向上还吸附有一转子磁铁，所述电磁线圈与所述转子磁铁运动平面间为上下设置，转子磁铁在绕定子磁铁旋转时与电磁线圈间发生相对运动；

转子磁铁能够在外部激振下绕所述定子磁铁做周向运动或往复运动，转子磁铁旋转与电磁线圈间发生相对运动，电磁线圈的内部磁通量发生变化产生感应电动势，从而产生电能输出。

优选的，所述定子磁铁与所述转子磁铁均为圆盘状结构或圆柱状结构，所述定子磁铁固定设置，所述转子磁铁吸附于定子磁铁的边缘，与定子磁铁外切设置，并绕定子磁铁做圆周运动或往复运动。

优选的，所述电磁线圈为以定子磁铁为中心按圆周方向均匀设置的一圈。

优选的，所述电磁线圈为涡形卷绕设置。

优选的，所述电磁线圈设置于转子磁铁运动平面的上方和/或下方，转子磁铁旋转一周分别与各电磁线圈一一对应，与各电磁线圈间发生相对运动，电磁线圈的内部磁通量发生变化产生感应电动势，从而产生电能输出。

优选的，所述能量收集器还包括底座，所述定子磁铁、转子磁铁与电磁线圈均设置于所述底座上。

优选的，所述底座一侧上成型有一凹槽，至少所述定子磁铁与转子磁铁设置于所述凹槽内。

优选的，所述凹槽顶部设置有一盖板，所述盖板盖接于底座上，所述凹槽内壁用以限定转子磁铁的径向移动，所述盖板用以限定转子磁铁的轴向运动。

优选的，外部激振为垂直方向时，所述振动能量收集器为垂直设置，外部激振为水平方向时，所述振动能量收集器为水平设置，外部激振为多个方向时，所述振动能量收集器为倾斜设置。

与现有技术相比，本发明公开的电磁式振动能量收集器的优点是：

该电磁式振动能量收集器引入了定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，在外界低频随机激振下，转子磁铁绕着定子磁铁进行旋转，同时与呈圆周分布的电磁线圈发生相对运动，从而产生电能输出，实现高效能量收集，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集。

该收集器无需弹簧、轴承等其他额外的辅助振动、旋转结构来实现转子磁铁与线圈的相对运动，利用磁铁间相互吸引力不仅结构简单，且摩擦阻力微小，从而在微小扰动激激励下非常容易实现往复和旋转运动。

可以实现在不同激振方向的能量收集和不同激振频率的高效输出，工作频率低、频带宽、适用范围广。

该收集器的振动环境适应性强，应用范围广。不仅可以应用于较复杂振动工况的能量收集，同时也可应用于人体随机动能收集，以及海洋波浪能收集。这些环境动能的特点是振动频率低、振动幅值、频率和方向随机性大的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的电磁式振动能量收集器的结构示意图。

图2为不同激振方向下收集器的设置方式图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、底座 2、电磁线圈 3、定子磁铁 4、转子磁铁 5、盖板 6、凹槽

具体实施方式

正如背景技术部分所述，由于环境中的振动源普遍频率低且频带宽，振动幅值、频率和方向的随机性大，当前谐振式振动能量收集器普遍工作频率高(大于10Hz)，且往往具有较窄的工作频带和单一振动方向，环境适应性差。装置在小于10Hz的低频振动环境下电量输出低，因此普遍存在的问题是适用振动范围窄、输出功率密度低，难以满足无线传感节点的自供电需求。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种电磁式振动能量收集器，通过引入定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，实现转子磁铁绕定子磁铁的旋转结构，从而实现磁铁与线圈之间快速的相对运动，实现高效能量收集，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集。

下面将通过具体实施方式对本发明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作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。

请参见图1，如图所示，一种电磁式振动能量收集器，用以将振动能转换为电能，能量收集器包括固定设置的一定子磁铁3，以定子磁铁3为中心按圆周方向设置的至少一电磁线圈2，定子磁铁3的周向上还吸附有一转子磁铁4，电磁线圈与转子磁铁沿定子磁铁的轴向上下设置。其中电磁线圈的数量可根据收集器的尺寸大小做调整。由于转子磁铁为绕定子磁铁一周旋转的运动方式，因此，电磁线圈通常选择以定子磁铁为中心按圆周方向均匀设置的一圈。

在存在外部激振的情况下，转子磁铁能够绕定子磁铁做圆周运动或往复运动，转子磁铁旋转与电磁线圈间发生相对运动，电磁线圈的内部磁通量发生变化产生感应电动势，从而产生电能输出。

优选的，本实施例中的转子磁铁为吸附在定子磁铁周向上的一个，当然也可在定子磁铁的周向上设置多个转子磁铁，保证各个转子磁铁间不相互干涉即可，具体数量不做限制。

优选的，本发明中定子磁铁3与转子磁铁4均为具有一定厚度的圆盘状结构，通过设定磁铁的厚度，便于实现两磁铁外部的相切吸附，由于磁铁为圆形结构，两磁铁接触为线接触吸附，因此吸力较小，在外部存在微小的扰动均可驱动转子磁铁紧贴定子磁铁边缘做往复或圆周运动，反应灵敏，操作方便，电量输出效率高。而且，通过采用该结构形式的磁铁，二者间的运动摩擦为滚动摩擦，摩擦力小，转动时其摩擦阻力远小于其他间隙配合的旋转结构，比如轴承等。

其中为了保证两磁铁间的位置关系，还可将两磁铁做成具有一定厚度的圆柱状结构，定子磁铁固定设置，所述转子磁铁吸附于定子磁铁的边缘，与定子磁铁外切设置。具体结构形式及厚度不做限制。

其中，定子磁铁的横截面可为圆形或椭圆形等不同结构形式，而转子磁铁为绕定子磁铁一周旋转的运动形式，电磁线圈可以按照转子磁铁的运动轨迹进行设置，因此其是否为圆周设置，与定子磁铁的结构形式以及转子磁铁的运动轨迹有关，具体不做限制。

本发明中，电磁线圈为涡形卷绕设置，通过该卷绕方式成型圆形电磁线圈，并将多个电磁线圈以定子磁铁为中心按圆周方向均匀布置。其中线圈的卷绕形式及最终形状以能够与转子磁铁间产生高的电动势为标准，具体不做限制。

电磁线圈可设置于转子磁铁运动平面的上方或下方，或者上下方均设置，具体根据需要而定。转子磁铁旋转一周分别与各电磁线圈一一对应产生相对运动，从而产生感应电动势输出电能。

该能量收集器还包括底座1，定子磁铁3、转子磁铁4与电磁线圈2均设置于底座1上。通过底座1固定上述各部件。在先一步的将定子磁铁与电磁线圈固定后，可直接将转子磁铁放入底座上与定子磁铁吸附定位，后根据外部激振变化产生相应的旋转运动。

底座1一侧上成型有一凹槽6，至少定子磁铁3与转子磁铁4设置于凹槽内。通过该凹槽的作用还可对转子磁铁的运行进行限位，防止转子磁铁在转速较大的情况下产生离心力作用与定子磁铁分离飞出。其中转子磁铁与凹槽内壁间为间隙设置，便于转子磁铁的正常运转。

优选的，凹槽顶部设置有一盖板5，盖板5盖接于底座1上，用以遮住凹槽，并将定子磁铁、转子磁铁以及电磁线圈限位在凹槽内部。盖板用以限定转子磁铁的轴向运动，以防止转子磁铁因旋转速度过大而飞出或与定子磁铁在平面外吸合固定。通过盖板与凹槽的配合，实现对转子磁铁径向与轴向上的限位，避免转子磁铁脱离本身的运转轨道。

而且，该盖板方便拆卸，便于对振动能量收集器内部的组织结构形式进行检修与维护，便于设备的正常使用。

如图2所示，在不同激振方向下，该收集器的放置方式也不相同，当外部激振为垂直方向时，能量收集器为垂直设置，当外部激振为水平方向时，能量收集器为水平设置，当外部激振为多个方向时，所述能量收集器为倾斜设置。收集器的具体设置方式根据需要而定，在此不做限制。

本发明的工作原理如下：

当设备受到外部激振时，转子磁铁4可围绕定子磁铁3在平面内做快速的圆周运动，根据法拉第电磁感应原理，转子磁铁旋转与固定设置的电磁线圈发生相对运动，电磁线圈内部磁通量会发生变化从而产生感应电动势。该装置不仅可以应用于较复杂振动工况的能量收集，同时也可应用于人体随机动能收集，以及海洋波浪能收集。在不同激振模式下，如垂直、水平或任意方向的随机振动，均可利用本旋转装置实现高效能量收集。

本发明公开了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器引入了定子磁铁和转子磁铁，利用磁铁间的相互吸引力，在外界低频随机激振下，转子磁铁绕着定子磁铁进行旋转，同时与呈圆周分布的电磁线圈发生相对运动，从而产生电能输出，实现高效能量收集，可适用于多种复杂随机振动环境能量收集。

该收集器无需弹簧、轴承等其他额外的辅助振动、旋转结构来实现转子磁铁与线圈的相对运动，利用磁铁间相互吸引力不仅结构简单，且摩擦阻力微小，从而在微小扰动激励下非常容易实现往复和旋转运动。

可以实现在不同激振方向的能量收集和不同激振频率的高效输出，工作频率低、频带宽、适用范围广。

该收集器的振动环境适应性强，应用范围广。不仅可以应用于较复杂振动工况的能量收集，同时也可应用于人体随机动能收集，以及海洋波浪能收集。这些环境动能的特点是振动频率低、振动幅值、频率和方向随机性大的特点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电磁式振动能量收集器，用以将振动能转换为电能，其特征在于，所述振动能量收集器包括固定设置的一定子磁铁，分布于定子磁铁外圈的至少一电磁线圈，所述定子磁铁的周向上还吸附有一转子磁铁，所述电磁线圈与所述转子磁铁运动平面间为上下设置，转子磁铁在绕定子磁铁旋转时与电磁线圈间发生相对运动；

所述电磁线圈设置于转子磁铁运动平面的上方和下方，转子磁铁旋转一周分别与各电磁线圈一一对应，与各电磁线圈间发生相对运动；

转子磁铁能够在外部激振下绕所述定子磁铁做周向运动或往复运动，转子磁铁旋转与电磁线圈间发生相对运动，电磁线圈的内部磁通量发生变化产生感应电动势，从而产生电能输出；所述振动能量收集器为方体结构，外部激振为垂直方向时，所述振动能量收集器为垂直设置，外部激振为水平方向时，所述振动能量收集器为水平设置，外部激振为多个方向时，所述振动能量收集器为倾斜设置。

2.如权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述定子磁铁与所述转子磁铁均为圆盘状结构或圆柱状结构，所述定子磁铁固定设置，所述转子磁铁吸附于定子磁铁的边缘，与定子磁铁外切设置，并绕定子磁铁做圆周运动或往复运动。

3.如权利要求1或2所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述电磁线圈为以定子磁铁为中心按圆周方向均匀设置的一圈。

4.如权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述电磁线圈为涡形卷绕设置。

5.如权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述能量收集器还包括底座，所述定子磁铁、转子磁铁与电磁线圈均设置于所述底座上。

6.如权利要求5所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述底座一侧上成型有一凹槽，至少所述定子磁铁与转子磁铁设置于所述凹槽内。

7.如权利要求6所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述凹槽顶部设置有一盖板，所述盖板盖接于底座上，所述凹槽内壁用以限定转子磁铁的径向移动，所述盖板用以限定转子磁铁的轴向运动。