CN107707095B - 一种基于磁球振动的电磁俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于磁球振动的电磁俘能器，包括弹性基座、阻隔弹簧板、固定磁铁、线圈、球形磁铁、外部框架和上基板。所述线圈固定在弹性基座上；所述阻隔弹簧板固定在外部框架内侧、线圈和固定磁铁之间；所述球形磁铁具有上下两个不同磁极；所述固定磁铁正对于线圈，并与球形磁铁相互吸引，保证球形磁铁运动时不会发生自转；所述上基板上部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响磁铁运动。本发明结构简单，易于制作，可适用于随机、低频、小幅振动的环境，环境适应性增强。球形磁铁自由弹动的设计增大磁铁与线圈的接触面积，减小设计空间，放电效率提高，且更易于微型化设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于磁球振动的电磁俘能器，可有效收集周围环境的随机振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。
背景技术
目前，大多数的低功率器件(如无线传感器和发射器，医疗植入传感器，便携式电子设备)都依赖电化学电池供电。但是，电化学电池具有寿命短、成本高及处理废旧电池带来的环境污染等问题，所以研究人员正积极寻找一种新的能源以代替电化学电池为低功率器件供电。另外，微电子技术的不断发展大大降低了低功率器件的能耗，因而，从周围环境中收集能量以驱动低功率器件变得更加可行。从周围环境中可收集的能量主要包括太阳能、热能和机械能，其中，机械能，尤其是振动能在周围环境中分布广泛。在机械能向电能转换的多种途径中，电磁俘能器具有结构简单、阻抗小、输出电流大等优点而备受关注。
发明内容
本发明的目的是解决目前电磁俘能装置设计结构大、发电效率低、低频适应性差、环境适应性差的问题，为此提供一种基于磁球振动的电磁俘能器，使电磁发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动，提高能量回收效率。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为一种基于磁球振动的新型电磁俘能器，包括弹性基座(1)、阻隔弹簧板(2)、固定磁铁(3)、线圈(4)、球形磁铁(5)、外部框架(6)和上基板(7)，所述线圈(4)固定在弹性基座(1)上；所述阻隔弹簧板固(2)定在外部框架(6)内侧、线圈(4)和固定磁铁(3)之间；所述球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极；所述固定磁铁(3)正对于线圈(4)，并与球形磁铁(5)相互吸引，保证球形磁铁(5)运动时不会发生自转；所述上基板(7)上部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响球形磁铁(5)运动。
进一步讲，上述弹性基座(1)材料为弹性材料，材料为黄铜或不锈钢。
上述阻隔弹簧板(2)为回形结构，保证球形磁铁(5)可以在不同角度弹起时都可以相似角度落回线圈(4)中；镂空设计保证固定磁铁(3)可以对球形磁铁(5)施加向上的吸引力，且可增加阻隔弹簧板(2)的弹性系数，增大对球形磁铁(5)的向下作用力，从而增大球形磁铁(5)的向下运动加速度。阻隔弹簧板(2)的材料采用弹性材料，例如弹性不锈钢材料。
上述球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极，球形磁铁(5)上方磁性与固定磁铁(3)下端磁性相反，保证吸引力，同时保证球形磁铁(5)不发生自转现象。
上述球形磁铁(5)直径小于阻隔弹簧板(2)回形结构中间“口”字形结构的内径。
上述线圈(4)内径大小略小于阻隔弹簧板(2)，外部框架(6)内径与阻隔弹簧板(2)大小一致，从而保证球形磁铁(5)运动时最终都会落回线圈(4)内。
上述上基板(7)中部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响球形磁铁(5)运动。
相较于现有技术，本发明的有益效果体现在：
1.采用弹性基座(1)一方面可以作为将弹性基座(1)作为弹簧，对基础低幅值激励进行一级放大后，激发电磁振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动，从而带动球形磁铁(5)快速运动，提高能量采集器的输出性能；另一方面，弹性基座(1)的使用减少了弹簧或者悬臂梁的使用，降低了俘能器的尺寸，从而达到微型化的目的。
2.采用回形阻隔弹簧板(2)一方面限制球形磁铁(5)的运动，保证球形磁铁(5)只在固定高度上运动；另一方面，当球形磁铁(5)向上运动，阻隔弹簧板(2)提供向下的加速度，增大球形磁铁(5)回到线圈(4)的速度，从而提高输出效率。阻隔弹簧板(2)的回形设计一方面增加阻隔弹簧板(2)的弹性，增加对球形磁铁(5)作用力；另一方面，球形磁铁(5)对阻隔弹簧板(2)的碰撞使阻隔弹簧板(2)产生不同的方向的形变，从而使球形磁铁(5)可以从不同方向以不同角度落回感应线圈(4)里，从而拓宽俘能器的工作频带。另外，阻隔弹簧板(2)阻隔固定磁铁(3)和球形磁铁(5)，保证当球形磁铁(5)向上运动时，球形磁铁(5)不会因为吸引力和固定磁铁(3)吸在一块，从而保证球形磁铁(5)可以在一定空间内自由运动。
3.球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极，保证与固定磁体(3)吸引后球形磁铁(5)的运动是水平滑动，不会发生自转。
4.固定磁铁(3)的设计增加了球形磁铁(5)向上运动的力，从而对阻隔弹簧板(2)产生更强的冲击力，使得阻隔弹簧板(2)形变增加，对球形磁铁(5)的反作用力增强，从而提供更强的向下作用力，固定磁铁(3)的圆形设计在保证磁感应强度的情况下缩小了磁铁的尺寸。
附图说明
图1是本发明的结构安装剖面图；
图2是本发明的结构安装侧面示意图；
图3是本发明线圈固定于基底的俯视图
图4是本发明的回形阻隔弹簧板结构示意图；
图5是本发明的球形磁铁示意图；
图中：1弹性基座；2阻隔弹簧板；3固定磁铁；4线圈；5球形磁铁；6外加框架；7上基板；8螺丝。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明采取的技术方案为一种基于磁球振动的新型电磁俘能器，包括弹性基座(1)、阻隔弹簧板(2)、固定磁铁(3)、线圈(4)、球形磁铁(5)、外部框架(6)和上基板(7)，所述线圈(4)固定在弹性基座(1)上；所述阻隔弹簧板固(2)定在外部框架(6)内侧、线圈(4)和固定磁铁(3)之间；所述球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极；所述固定磁铁(3)正对于线圈(4)，并与球形磁铁(5)相互吸引，保证球形磁铁(5)运动时不会发生自转；所述上基板(7)上部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响球形磁铁(5)运动。
当外界振动时，外界激励对弹性基座(1)产生上下的冲击力，弹性基座(1)发生形变，带动球形磁铁(5)上下运动。当球形磁铁(5)向上运动时，计算球形磁铁(5)的运动距离，设计阻隔弹簧板(2)位置小于球形磁铁(5)的运动距离，保证阻隔弹簧板(2)能与球形磁铁(5)相触，从而给球形磁铁(5)向下的冲击力，增加球形磁铁(5)向下运动的加速度和冲击力，保证在二次及以后的弹性运动衰减幅度减缓，从而保证外界的一次振动可以导致球形磁铁(5)的多次大幅振动，提高输出效率。弹性基座(1)材料采用弹性不锈钢材料，保证一定范围内的弹性振动。
阻隔弹簧板(2)另一个用处是阻隔固定磁铁(3)和球形磁铁(5)，保证当球形磁铁(5)向上运动时，球形磁铁(5)不会因为吸引力和固定磁铁(3)吸在一块，从而保证球形磁铁(5)可以在一定空间内自由运动。
固定磁铁(3)与球形磁铁(5)相互吸引，增加了球形磁铁(5)向上运动的力，从而对阻隔弹簧板(2)产生更强的冲击力，使得阻隔弹簧板(2)形变增加，对球形磁铁(5)的反作用力增强，从而提供更强的向下作用力。设计固定磁铁(3)与阻隔弹簧板(2)间的距离，保证固定磁铁(3)与球形磁铁(5)的相互吸引力远小于阻隔弹簧板(2)形变较大时的恢复力，从而保证阻隔弹簧板(2)恢复力-固定磁铁(3)与阻隔弹簧板(2)间吸引力>没有固定磁铁时阻隔弹簧板(2)的恢复力。
图3为弹性基座(1)固定的结构示意图。设计将线圈(4)通过螺丝(8)固定死在弹性基座上，保证线圈(4)不会因为弹性基座(1)的振动而倾斜，同时，将弹性基座(1)超过线圈(4)外径面积用夹板夹紧，从而保证弹性基座(1)的弹性形变仅发生在线圈(4)内部，保证弹性基座(1)对球形磁铁(5)的弹性作用最大化。
图4为回形阻隔弹簧板(4)结构示意图。设计阻隔弹簧板(4)的回形结构为一个“回”字，保证阻隔弹簧板(2)具有一定刚度，球形磁铁(5)撞击阻隔弹簧板(2)时阻隔弹簧板(2)不会也因形变过大而断裂。阻隔弹簧板(2)的回形设计一方面增加弹簧板(2)的弹性，增加对球形磁铁(5)作用力；另一方面，球形磁铁(5)对弹簧板(2)的碰撞使弹簧板产生不同的方向的形变，从而使球形磁铁(5)可以从不同方向以不同角度落回感应线圈(4)里，从而拓宽俘能器的工作频带。
图5为球形磁铁(5)示意图。球形磁铁(5)设计为球形可以减小磁铁在自由运动时受到的空气阻力，保证磁铁在较大范围内运动。设计固定磁铁(3)上端磁性为N级、下端磁性为S级，因此球形磁铁(5)磁性方向如图所示，为上端N级、下端S级，从而保证两磁铁相互吸引，并防止磁铁发生自转。同时，球形的设计可以保证球形磁铁(5)与弹性基座(1)接触时充分吸收弹性基座(1)的弹性恢复力，从而产生更大的运动加速度，保证球形磁铁(5)的运动速度。
感应电动势与速度的关系式如下图：
ε＝BLv
ε为感应电动势，L为切割磁感线的有效长度，v为切割速度，B为球形磁铁(5)的磁场强度。磁铁的磁场强度一般与磁铁的体积有关，因此，当球形磁铁(5)与其他形状磁铁切割磁感线的有效长度一定、体积一定时，球形磁铁(5)所占空间面积明显小于其他形状磁铁，因而利于微型化。式中可以看出，磁铁切割速度与感应电动势成正比，速度越快产生的感应电动势越高。本发明的主要目的即为在低幅度、低频率的外界激励下提高球形磁铁(5)的运动速度，从而产生更强的感应电动势。
Claims (6)
1.一种基于磁球振动的电磁俘能器，包括弹性基座(1)、阻隔弹簧板(2)、固定磁铁(3)、线圈(4)、球形磁铁(5)、外部框架(6)和上基板(7)，所述线圈(4)固定在弹性基座(1)上；所述阻隔弹簧板(2)固定在外部框架(6)内侧、线圈(4)和固定磁铁(3)之间；所述球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极；所述固定磁铁(3)正对于线圈(4)，并与球形磁铁(5)相互吸引，保证球形磁铁(5)运动时不会发生自转；所述上基板(7)上部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响球形磁铁(5)运动；设计上基板(7)中部有两个通气口，保证俘能器内部空气不会因全封闭而发生扰动，影响球形磁铁(5)运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁球振动的电磁俘能器，其特征在于所述弹性基座(1)材料为弹性材料。
3.根据权利要求2所述一种基于磁球振动的电磁俘能器，其特征在于所述阻隔弹簧板(2)为回形结构，保证球形磁铁(5)可以在不同角度弹起时都可以相似角度落回线圈(4)中；镂空设计保证固定磁铁(3)可以对球形磁铁(5)施加向上的吸引力，增加阻隔弹簧板(2)的形变。
4.根据权利要求1所述一种基于磁球振动的电磁俘能器，其特征在于所述球形磁铁(5)具有上下两个不同磁极，球形磁铁(5)上方磁性与固定磁铁(3)下端磁性相反，保证吸引力，同时保证球形磁铁(5)不发生自转现象。
5.根据权利要求1所述一种基于磁球振动的电磁俘能器，其特征在于所述球形磁铁(5)直径小于阻隔弹簧板(2)回形结构中间“口”字形结构的内径。
6.根据权利要求1所述一种基于磁球振动的电磁俘能器，其特征在于所述线圈(4)内径大小略小于阻隔弹簧板(2)，外部框架(6)内径与阻隔弹簧板(2)大小一致，从而保证球形磁铁(5)运动时最终都会落回线圈(4)内。
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