CN106849597B - 一种多方向振动能量收集装置 - Google Patents

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    • H02K35/00Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems

Abstract

本发明提供了一种多方向振动能量收集装置,包括球形固定腔体、能量转化装置、导管、牵引结构、滚球;所述能量转化装置一端与球形固定腔体的内壁连接,另一端为自由端;所述牵引结构穿过导管,一端连接于能量转化装置的自由端,另一端连接于滚球,所述滚球与球型固定腔体的内壁相抵;当外界任意方向的激励作用于该装置时,所述球形固定腔体与滚球产生相对运动,使得所述滚球带动牵引结构摆动,同时,导管相对于能量转化装置保持静止;从而使得所述导管把滚球任意方向的动量转化为作用于能量转化装置的单方向冲击力,所述牵引结构带动能量转化装置从而产生电能,实现三维平面内多方向的能量收集。

Description

一种多方向振动能量收集装置
技术领域
本发明属于微能量收集领域,特别涉及一种基于三维球体并利用牵引结构高效地将环境中具有多方向的振动源的机械能转换为电能的三维多方向振动能量收集装置。
背景技术
目前,无线传感器等低功耗电子设备都是依靠传统的电池来提供能量,但是传统电池存在寿命有限、恶劣环境难以替换、体积较大而限制微传感器进一步小型化等缺点。为了解决这些问题,研究人员提出了可以实现从周围环境吸收振动能量的能量收集器,有效解决了电池寿命有限、更换不便的困难。
振动能量收集器的类型主要有压电式、静电式以及电磁式。在实际应用中,环境振动源具有不稳定性、随机性,存在一定频带宽度的同时,还具有多方向性;当振动源的频率和振动方向与能量收集器装置不匹配时,能量收集器装置的输出能量会急剧减少,收集效率低,从而限制了能量收集器在复杂多变振动环境中的应用。
为解决振动能量收集器在宽频振动环境中工作的问题,国内外已经提出了各种各样的解决方案,比如基于阵列式悬臂梁结构的压电能量收集器、引入磁铁的磁式悬臂梁能量收集器、基于碰撞的振动能量收集器等。针对振动能量收集器如何应用于多方向振动环境的问题,研究者也提出了不同的实现方案。比如2015年重庆大学提出了一种基于碰撞的三维压电振动能量收集器,其中装置结构包括一组阵列式压电悬臂梁,一个带有质量块的圆柱形弹簧位于悬臂梁中间,利用圆柱形弹簧的振动特性通过碰撞悬臂梁实现多方向的能量收集,但从三维角度看,该能量收集器只能在有限平面内实现多方向能量收集,且不同平面内的能量收集效率不同。同年西安科技大学(201520704388.3)和湖南科技大学(201510850660.3)分别申请了多方向能量收集装置的专利,同样存在不能实现任意平面内多方向能量收集的问题,从而不能实现在复杂多变环境中高效率地收集能量。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题,提供一种基于三维球体结构的多方向振动能量收集器,当球形固定腔体与滚球发生相对运动时,通过牵引的方式实现滚球与能量转化装置机械能的传递,结合导管结构把任意平面内的多方向振动源通过滚球转化为对能量转化装置的单方向冲击,从而高效率地实现任意平面内的多方向能量收集。
本发明目的在于针对振动能量收集器不能实现任意平面内多方向能量收集而导致能量收集器收集效率低的问题,发明了一种可以高效地获取多方向振动能量的能量收集装置,弥补前述背景技术中只能实现单或有限平面内的多方向能量收集的缺陷。通过本发明装置,可高效率地实现任意平面内的多方向能量收集。
本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题:一种多方向振动能量收集装置,包括球形固定腔体、能量转化装置、导管、牵引结构、滚球;
所述能量转化装置一端与球形固定腔体的内壁连接,另一端为自由端;所述牵引结构穿过导管,一端连接于能量转化装置的自由端,另一端连接于滚球,所述滚球与球型固定腔体的内壁相抵;当外界任意方向的激励作用于该装置时,所述球形固定腔体与滚球产生相对运动,使得所述滚球带动牵引结构摆动,同时,导管相对于能量转化装置保持静止;从而使得所述导管把滚球任意方向的动量转化为作用于能量转化装置的单方向冲击力,所述牵引结构带动能量转化装置从而产生电能,实现三维平面内多方向的能量收集。
在一较佳实施例中:所述能量转化装置的一端连接于球形固定腔体内的任一位置。
在一较佳实施例中:所述能量转化装置为压电式能量转化装置。
在一较佳实施例中:所述导管与压电式能量转化装置相垂直。
在一较佳实施例中:所述能量转化装置为电磁式能量转化装置。
在一较佳实施例中:所述电磁式能量转化装置包括线圈、活动磁铁和连接活动磁铁的弹簧;所述线圈的一端连接于球形固定腔体内的顶端;所述弹簧的一端通过线圈内的容置空间连接于球形固定腔体内的顶端,另一端与所述活动磁铁连接。
在一较佳实施例中:所述导管设置在活动磁铁的延长线上。
在一较佳实施例中:所述导管的外轮廓可以为圆柱形或方形。
在一较佳实施例中:所述导管与能量转化装置有一定的距离,该距离根据振动源强度和能量转化装置的抗拉强度进行优化设计。
在一较佳实施例中:所述牵引结构为非弹性结构时,牵引结构有一定的余量;所述牵引结构为弹性结构时,牵引结构无余量或有一定的余量;所述余量是指:牵引结构的长度与能量转化装置到滚球距离之差。
相对于现有技术,本发明具有以下优点和有益效果:
1.本发明优点之一是采用双球体内嵌结构,利用其相对运动实现对任意平面内多方向振动源的感应,通过优化滚球与球形固定腔体的接触面,当该装置受到外界振动源作用时,轻微的振动便可以使滚球与球形固定腔体产生相对运动,不仅实现了任意平面内的多方向能量收集,而且更能适应振动强度小且变化快的振动环境。
2、本发明优点之二是结合导管结构采用牵引方式传递机械能,把任意方向的动量转化对能量转化装置的单方向冲击,实现了任意平面内多方向的高效能量收集,同时牵引的方式可以避免对滚球运动的影响,从而使整个能量收集装置的收集效率不受振动源的作用平面的影响,提升能量收集器的整体性能。
附图说明
图1、2是本发明多方向振动能量收集装置的平面结构示意图;
具体实施方式
以下通过附图对本发明做进一步说明,但本发明不仅限于此实施例。
实施例1
结合图1所示,本发明提供一种多方向振动能量收集装置,包括球形固定腔体1、能量转化装置2、导管3、牵引结构4和滚球5。
所述能量转化装置2一端与球形固定腔体1的内壁连接,另一端为自由端;所述牵引结构4穿过导管3,一端连接于能量转化装置2的自由端,另一端连接于滚球5;所述滚球5与球型固定腔体1的内壁相抵;
当外界任意方向的激励作用于该装置时,所述球形固定腔体1与滚球5产生相对运动,使得所述滚球5带动牵引结构4摆动,同时,导管3相对于能量转化装置2保持静止;从而使得所述导管3把滚球5任意方向的动量转化为作用于能量转化装置2的单方向冲击力,所述牵引结构4带动能量转化装置2从而产生电能,实现三维平面内多方向的能量收集。
所述球形固定腔体1的材料可以为金属或非金属,本实施例中为非金属ABS。
所述球形固定腔体1的大小可以根据外界振动源、腔体内机械结构进行优化设计,本实施例中为直径30mm。
所述能量转化装置2可以为压电式、电磁式、静电式等能量转化装置,本实施例中为压电式能量转化装置。所述导管3与压电式能量转化装置相垂直。
所述导管3的材料可以为金属或非金属,本实施例中为金属铜。
所述导管3的长度可以根据牵引结构长度、外界激励强度、方向进行优化设计,本实施例中为3mm。
所述导管3与能量转化装置有一定的距离,距离可以根据振动源强度和能量转化装置的抗拉强度设计,本实施例中为3mm。
所述牵引结构4可以为弹簧、绳子等弹性结构,或为非弹性结构,本实施例中为非弹性结构绳子。
所述滚球5的材料可以为金属或非金属,本实施例中为金属钨。
所述滚球5的大小和质量可以根据牵引结构4长度、外界激励强度、实际供能需求进行调节,本实施例中为直径5mm,15g。
实施例2
结合图2所示,本发明提供一种多方向振动能量收集装置,包括球形固定腔体1、能量转化装置2、导管3、牵引结构4和滚球5。
所述球形固定腔体1具有一谐振腔;所述能量转化装置2一端与谐振腔的内壁连接,另一端为自由端;所述牵引结构4穿过导管3,一端连接于能量转化装置,另一端连接于滚球5;当外界任意方向的激励作用于该装置时,所述球形固定腔体1与滚球5产生相对运动,所述导管3把滚球5任意方向的动量转化为作用于能量转化装置2的单方向冲击力,所述牵引结构4带动能量转化装置2从而产生电能,实现三维平面内多方向的能量收集。
所述球形固定腔体1的材料可以为金属或非金属,本实施例中为非金属ABS。
所述球形固定腔体1的大小可以根据外界振动源、腔体内机械结构进行设计,本实施例中为直径30mm。
所述能量转化装置2可以为压电式、电磁式、静电式等能量转化装置,本实施例中为电磁式能量转化装置,包括线圈2.1、活动磁铁2.2和连接磁铁的弹簧2.3。所述线圈2.1的一端连接于球形固定腔体1内的顶端;所述弹簧2.3的一端通过线圈2.1内的容置空间连接于球形固定腔体1内的顶端,另一端与所述活动磁铁2.2连接。
所述导管3的材料可以为金属或非金属,本实施例中为金属铜。
所述导管3的长度可以根据牵引结构长度、外界激励强度、方向进行设计,本实施例中为3mm。
所述导管3与能量转化装置有一定的距离,距离可以根据振动源强度和能量转化装置的抗拉强度设计,本实施例中为3mm。
所述牵引结构4可以为弹簧、绳子等弹性结构,或为非弹性结构,本实施例中为弹性结构绳子。
所述滚球5的材料可以为金属或非金属,本实施例中为金属钨。
所述滚球5的大小和质量可以根据牵引结构4长度、外界激励强度、实际供功能需求进行调节,本实施例中为直径5mm,15g。
综上所述,本发明提出的多方向振动能量收集装置,收集环境中任意平面内多方向振动源的能量,同时保证了能量收集装置能够在任意平面内实现高效的能量收集,从而提升了振动能量收集器在复杂多变环境中适用性,增强了实用性。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多方向振动能量收集装置,其特征在于:包括球形固定腔体、能量转化装置、导管、牵引结构、滚球;
所述能量转化装置一端与球形固定腔体的内壁连接,另一端为自由端;所述牵引结构穿过导管,一端连接于能量转化装置的自由端,另一端连接于滚球,所述滚球与球型固定腔体的内壁相抵;当外界任意方向的激励作用于该装置时,所述球形固定腔体与滚球产生相对运动,使得所述滚球带动牵引结构摆动,同时,导管相对于能量转化装置保持静止;从而使得所述导管把滚球任意方向的动量转化为作用于能量转化装置的单方向冲击力,所述牵引结构带动能量转化装置从而产生电能,实现三维平面内多方向的能量收集。
2.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述能量转化装置的一端连接于球形固定腔体内的任一位置。
3.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述能量转化装置为压电式能量转化装置。
4.根据权利要求3所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述导管与压电式能量转化装置相垂直。
5.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述能量转化装置为电磁式能量转化装置。
6.根据权利要求5所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述电磁式能量转化装置包括线圈、活动磁铁和连接活动磁铁的弹簧;所述线圈的一端连接于球形固定腔体内的顶端;所述弹簧的一端通过线圈内的容置空间连接于球形固定腔体内的顶端,另一端与所述活动磁铁连接。
7.根据权利要求6所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述导管设置在活动磁铁的延长线上。
8.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述导管的外轮廓为圆柱形或方形体。
9.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述导管与能量转化装置有一定的距离,该距离根据振动源强度和能量转化装置的抗拉强度进行优化设计。
10.根据权利要求1所述的多方向振动能量收集装置,其特征在于:所述牵引结构为非弹性结构时,牵引结构有一定的余量;所述牵引结构为弹性结构时,牵引结构无余量或有一定的余量;所述余量是指:牵引结构的长度与能量转化装置到滚球距离之差。
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