CN106787593B - 一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置,由两级振动系统构成，第一级包括低频/高频振动能量采集子系统，两采集系统的铜线圈在不均匀磁场中振动，产生电能输出。第二级振动系统包括支撑弹簧，永磁体组合及第一级系统组成。当振动发生时，第二级振动系统处于共振状态，振动响应主要是奇次谐波分量，一次和三次谐波分量为主，作为基础激励使得低频采集子系统和高频采集子系统处于共振状态。振动能量采集装置将集中于低频的振动能量通重新分配到低频和高频振动。本发明适用于航空航天、船舶、桥梁建筑工程结构的振动能量采集，尤其适用于振动强度较弱的工程环境，可为振动控制与健康监测系统中的自供能装置、无线传感器网络提供电能。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集技术，尤其涉及一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置。
背景技术
能量采集技术是一种非常有前途的清洁能源技术，是一种使用环境能量向小型和移动的电气或电子设备供电的能源技术。通常情况下，这些设备都是依靠传统的电池来提供能量，但是传统电池的缺点在于：供能寿命有限，因此使用一段时间后要更换或者充电。这对于放置在恶劣环境或者埋于结构内部的无线传感器而言，是个很严重的制约条件。然而，振动能量采集器件不受连接线的限制，且无需频繁更换，适合为传感网络的无线传感器供能。因此，振动能量采集器已成为可自我维持电源研究中的一大热点，在航空航天、武器装备、桥梁建筑等领域中具有较为广泛的应用价值与潜景。
振动能量采集器件的采集效率取决于振动幅值及共振频率两个要素。为实现高效能量采集，振动型能量采集器的设计需要其共振频率与环境振源频率相匹配。然而，环境中的振动能以低频为主（如航天柔性结构、舰载装备振动），而传统的振动能量采集器谐振频率高、工作频带窄，因而不能有效地采集环境中的振动能，在弱强度振动环境中，存在采集能效不高的问题。
发明内容
本发明提供一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，采用两极振动能量采集系统的设计，即使在环境振动频率低的情况下，第二级振动系统处于主共振状态，其中由两个环形永磁体（11）和一个两极环形永磁体（12）组合成的强立方非线性系统产生的奇次谐波触发第一级振动系统共振，提高了能量的采集效率，因为支撑弹簧（8）的作用，在共同产生共振时，第一级振动集系统的振动幅度得到数倍的提升，进一步提高振动能量的输出功率，解决现有线性采集装置中无法兼顾高水平电能输出与低频工作环境瓶颈问题，尤其适用于弱强度振动环境的能量采集，并且其立柱形的实现结构构型简单，体积小，可以根据需求方便调节采集性能，节约制作成本。
本发明采用如下技术方案：一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，包括第一级振动系统和第二级振动系统，所述第一级振动系统又包括低频振动能量采集子系统和高频振动能量采集子系统，所述低频振动能量采集子系统包括：T型端盖（1）、定位套筒(2)、低频支撑弹簧(3)、线圈套筒(4)、线圈(5)和圆柱形永磁体(6)，T型端盖(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端盖（1）上安装圆柱形永磁体（6）,圆柱形永磁体（6）外套低频支撑弹簧（3），所述低频支撑弹簧（3）的另一端连接线圈套筒（4），线圈套筒（4）是沿圆周方向开设凹槽的圆柱体，其横截面是工字型，所述圆柱体中心设置通孔，穿过圆柱形永磁体（6），所述凹槽上还缠绕线圈（5）；所述高频振动能力采集子系统包括：T型端盖（1）、定位套筒(2)、高频支撑弹簧(7)、线圈套筒(4)、线圈(5)和圆柱形永磁体(6)，T型端盖(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端盖（1）上安装圆柱形永磁体（6）,圆柱形永磁体（6）外套高频支撑弹簧（7），所述高频支撑弹簧（3）的另一端连接线圈套筒（4），线圈套筒（4）穿过圆柱形永磁体（6），所述凹槽上还缠绕线圈（5），高频支撑弹簧（7）的圈数多于低频支撑弹簧（3），将所述低频振动能量采集子系统放置在高频振动能量采集子系统上方，通过定位套筒（2）上的螺纹配合紧固后组成所述第一级振动系统，定位套筒（2）外围有凸出的圆台，低频振动能量采集子系统的圆柱形永磁体（6）与高频振动能量采集子系统的圆柱形永磁体(6)相靠近的一端磁极相异；所述第二级振动系统包括支撑弹簧（8）、基底（9）、上部定位框体（13）、下部定位框体（10）、环形永磁体（11）和两极环形永磁体（12），上部定位框体（13）、下部定位框体（10）和基底（9）依次紧固连接，上部定位框体（13）和下部定位框体（10）内壁分别嵌入环形永磁体（11），环形永磁体（11）的外壁分别与上部定位框体（13）和下部定位框体（10）的内壁过盈连接,环形永磁体（11）嵌套所述第一级振动系统，并留有空隙，环形永磁体（11）的两极是环形平面，磁极方向与其嵌套的圆柱形永磁体（6）相同，基底（9）通过支撑弹簧（8）连接所述第一级振动系统，支撑弹簧（8）提供所述第一级振动系统的弹性恢复力，定位套筒（2）外围圆台间再嵌入一个两极环形永磁体（12），所述两极环形永磁体（12）的两极是环形平面,且磁极与面对的环形永磁体（11）的磁极相同，产生磁性斥力。环形永磁体（11）和两极环形永磁体（12）组合所产生的排斥磁力和第一级振动系统的位移满足立方比关系，组成一个立方非线性系统，具体关系表达式为：F=kx^3，其中F是排斥磁力，x是第一级振动系统的位移，k是非线性常数，磁性斥力为第一级振动系统提供强立方非线性弹性恢复力。当环境中产生与第二级振动系统的激励频率一致的振动时，所述第二级振动系统先产生共振，并带动第一级振动系统振动产生位移，所述立方非线性系统继而产生一次谐波和奇次谐波，因为阶数越大，其能量贡献越小，一次和三阶谐波能量最为突出，那么就设定低频振动能量采集子系统的固有频率与一次谐波频率相同，高频振动能量采集子系统的固有频率与三阶谐波频率相同，固有频率由弹簧刚度和振子端部连接的质量有关。当低频振动能量采集子系统和高频振动能量采集子系统产生共振后，线圈（5）沿着低频支撑弹簧（3）和高频支撑弹簧（7）的运动方向，在不均匀的磁场中做切割磁感线运动，产生电能。
进一步的，定位套筒（2）和T型端盖（1），两极环形永磁体（12）和定位套筒（2）外围圆台间的空隙处，均通过过盈配合装配。
进一步的，T型端盖（1）和线圈套筒（4）开有环形沉槽，低频支撑弹簧（3）和高频支撑弹簧（7）的末端均磨平，与环形沉槽的内圈过盈配合，并用开口挡圈压紧。
进一步的，线圈（5）采用铜材料制作。
进一步的，圆柱形永磁体（6）采用NdFeB材料制作。
进一步的，低频支撑弹簧（3）采用铍青铜材料制作。
进一步的，该装置直径为40-50mm，高为60-80mm。
本发明的有益效果为：（1）第二级振动系统处于主共振状态，使得第一级振动系统的振动幅度得到数倍的提升，对于低频能量采集子系统而言，其亦处于共振状态，铜线圈在磁场中的振荡幅度也随之正比提升，采集效能大幅提高；（2）对于高频能量采集子系统，三阶谐波振动使其产生共振，根据线性振动能量采集原理，振动能量的功率输出和频率的立方成正比，因此高频采集子系统的高频大幅值共振振动使得有效的电能输出产生数量级的提升；（3）本发明结构简单，体积小，适用于航空航天，船舶、轨道交通、桥梁等工程领域的振动能量采集。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
其中，1-T型端盖，2-定位套筒，3-低频支撑弹簧，4-线圈套筒，5-线圈，6-圆柱形永磁体，7-高频支撑弹簧，8-支撑弹簧，9-基底，10-下部定位框体，11-环形永磁体，12-两极环形永磁体，13-上部定位框体，14-搭子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明提供一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其结构如图1所示。
该装置包括第一级振动系统和第二级振动系统。第一级振动系统为振动能量采集系统，其主要功能为能量的收集，由低频和高频振动能量采集子系统构成。低频振动能量采集子系统由T型端盖1、定位套筒2、低频支撑弹簧3、线圈套筒4、线圈5及圆柱形永磁体7。T型端盖1通过过盈装配固定在定位套筒2的一端，T型端盖1上开设沉槽，与末端磨平的低频支撑弹簧3过盈连接，低频支撑弹簧3内嵌套圆柱形永磁体6，S极固定在T型端盖1上，低频支撑弹簧3还连接线圈套筒4，线圈套筒4是一个中心设有通孔，外壁沿圆周方向开设凹槽的圆柱体，其截面为工字型，通孔穿过圆柱形永磁体6，凹槽上缠绕线圈5，线圈,5采用铜材料制作，圈数越多，发电性能越好。高频振动能量采集子系统具有相似的结构，包括T型端盖1、定位套筒2、高频支撑弹簧7、线圈套筒4、线圈5及圆柱形永磁体6。圆柱形永磁体6采用NdFeB材料制作，连接T型端盖1的那一端磁极为N极。两个线圈套筒4上设置相互配合的螺纹，其外围有凸出的圆台，通过旋紧螺纹低频能量采集子系统和高频能量采集子系统紧固连接，共同组成第一级振动系统，其摆放位置为低频能量采集子系统在上，高频能量采集子系统在下，两个圆柱形永磁体6异性磁极靠近并留有空隙。低频能量采集子系统和高频能量采集子系统的固有频率由低频支撑弹簧3、高频支撑弹簧7的圈数，和线圈套筒4缠绕线圈5后的质量共同决定，因为立方非线性系统中一次谐波和三阶谐波能量最高，我们设置低频能量采集子系统的固有频率与第二级振动系统的响应频率相同，高频能量采集子系统的固有频率为低频能量采集子系统固有频率的三倍。
第二级振动系统由支撑弹簧8、基底9、下部定位框体10、上部定位框体13和环形永磁体11、两极环形永磁体12和第一级振动系统组成，第二级振动系统的固有频率为环境激励频率。第一级振动系统通过支撑弹簧8与基底连接，第一级振动系统的定位套筒2上有凸起的圆台，圆台之间的空隙处放置两极环形永磁体12，被夹紧在圆台之间，其环形平面为磁体两极，上方平面为N极，下方平面为S极。上部定位框体13为封顶的圆筒形，下部定位框体10是通透的圆筒形，他们的内外径均相同，将上部定位框体13封顶的一面作为顶面，另一面与下部定位框体连接，其连接面上均设置搭子14，采用规格M1.2的螺钉穿过搭子14的通孔紧固连接，下部定位框体10再通过螺钉和基底9固定。沿圆周方向在上部定位框体13和下部定位框体10内侧设置凹槽，其连接线是凹槽的中心线，凹槽的上下两端均放置S极在上，N极在下的环形永磁体11，两极环形永磁体12在环形永磁体11之间，与环形永磁体11产生斥力，为第一级振动系统提供了强立方弹性恢复力，组成一个立方非线性系统。
当振动发生时，第二级振动系统发生共振，带动第一级振动系统振动产生位移，所述立方非线性系统继而产生一次谐波和奇次谐波，一次谐波激发低频振动能量采集子系统共振，奇次谐波中的三阶部分激发高频能量采集子系统共振，所述线圈沿着低频支撑弹簧和高频支撑弹簧的运动方向，在不均匀的磁场中做切割磁感线运动，产生电能。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，所述装置包括第一级振动系统和第二级振动系统，所述第一级振动系统又包括低频振动能量采集子系统和高频振动能量采集子系统，所述低频振动能量采集子系统包括：T型端盖（1）、定位套筒(2)、低频支撑弹簧(3)、线圈套筒(4)、线圈(5)和圆柱形永磁体(6)，T型端盖(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端盖（1）上安装圆柱形永磁体（6）,圆柱形永磁体（6）外套低频支撑弹簧（3），所述低频支撑弹簧（3）的另一端连接线圈套筒（4），线圈套筒（4）是沿圆周方向开设凹槽的圆柱体，其横截面是工字型，所述圆柱体中心设置通孔，穿过圆柱形永磁体（6），所述凹槽上还缠绕线圈（5）；所述高频振动能力采集子系统包括：T型端盖（1）、定位套筒(2)、高频支撑弹簧(7)、线圈套筒(4)、线圈(5)和圆柱形永磁体(6)，T型端盖(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端盖（1）上安装圆柱形永磁体（6）,圆柱形永磁体（6）外套高频支撑弹簧（7），所述高频支撑弹簧（3）的另一端连接线圈套筒（4），线圈套筒（4）穿过圆柱形永磁体（6），所述凹槽上还缠绕线圈（5），高频支撑弹簧（7）的圈数多于低频支撑弹簧（3），将所述低频振动能量采集子系统放置在高频振动能量采集子系统上方，通过定位套筒（2）上的螺纹配合紧固后组成所述第一级振动系统，定位套筒（2）外围有凸出的圆台，低频振动能量采集子系统的圆柱形永磁体（6）与高频振动能量采集子系统的圆柱形永磁体(6)相靠近的一端磁极相异；所述第二级振动系统包括支撑弹簧（8）、基底（9）、上部定位框体（13）、下部定位框体（10）、环形永磁体（11）和两极环形永磁体（12），上部定位框体（13）、下部定位框体（10）和基底（9）依次紧固连接，上部定位框体（13）和下部定位框体（10）内壁分别嵌入环形永磁体（11），环形永磁体（11）的外壁分别与上部定位框体（13）和下部定位框体（10）的内壁过盈连接,环形永磁体（11）嵌套所述第一级振动系统，并留有空隙,环形永磁体（11）的两极是环形平面，磁极方向与其嵌套的圆柱形永磁体（6）相同，基底（9）通过支撑弹簧（8）连接所述第一级振动系统，定位套筒（2）外围圆台间再嵌入一个两极环形永磁体（12），所述两极环形永磁体（12）的两极是环形平面,且磁极与面对的环形永磁体（11）的磁极相同。
2.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，定位套筒（2）和T型端盖（1），两极环形永磁体（12）和定位套筒（2）外围圆台间的空隙处，均通过过盈配合装配。
3.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，T型端盖（1）和线圈套筒（4）开有环形沉槽，低频支撑弹簧（3）和高频支撑弹簧（7）的末端均磨平，与环形沉槽的内圈过盈配合，并用开口挡圈压紧。
4.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，线圈（5）采用铜材料制作。
5.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，圆柱形永磁体（6）采用NdFeB材料制作。
6.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，低频支撑弹簧（3）采用铍青铜材料制作。
7.根据权利要求1所述的一种电磁式非线性谐振升频振动能量采集装置，其特征在于，该装置直径为40-50mm，高为60-80mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190405 Termination date: 20210215 |