CN108155774B - 一种可调谐振动能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调谐振动能量收集装置，具体涉及振动能量收集机械技术领域。一种可调谐振动能量收集装置由壳体固定，壳体内部下端有固定铰支座，通过固定铰支座将摆杆一端固定在壳体上，摆杆另一端与永磁体相连，线圈缠绕在定子铁芯上，定子铁芯固定在壳体内部上端，摆杆中部两侧各安装一个弹簧，弹簧一端与摆杆滑槽相连，弹簧另一端固定在弹簧导向筒底部，弹簧导向筒与壳体滑槽相连，螺栓将弹簧导向筒固定在壳体上。与传统的振动能量收集装置相比，本发明采用摆杆式结构，改变弹簧与固定铰支座的距离，可以改变装置的固有频率，具有可调谐以及调谐线性度好，结构简单，输出功率密度大等特点，非常适用于环境振动频率变化的振动能量收集。

Description

一种可调谐振动能量收集装置
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种可调谐振动能量收集装置。
背景技术
随着科技的发展，环境微能量的收集需求日益广泛，如在无线传感网络中，无线传感器的供电多依赖外部能源，如果能够通过收集环境微能量为无线传感器供电，那么理论上可以实现无线传感器不断电采集数据。机械振动能量普遍存在于各种机械装置中，从而成为环境微能量收集的重要途径之一。
目前，振动能量收集装置多采用压电式和电磁式，电能转换率都与共振频率有关，当装置固有频率与共振频率一致时，电能转换率最高；当外界频率偏离装置固有频率时，电能转换率大幅下降。对于不同应用场合，外界环境振动频率不同，需要一种可调谐的振动能量收集装置。而现有的悬臂梁式振动能量收集装置可通过调节悬臂梁的长度进行固有频率的调谐，但其固有频率与悬臂梁长度成高次方关系，调谐线性度不好。因此，需要一种线性度较好的调节固有频率的振动能量收集装置，从而提高电能转换率。
发明内容
电磁式能量收集器利用法拉第电磁感应定律，振动时磁体和线圈之间发生相对运动，切割磁感线，从而产生感应电动势。而由摆杆和弹性体连接组成的电磁式能量收集装置可以通过调节弹性参数，改变系统固有频率。
本发明提出一种可调谐振动能量收集装置，利用摆式振动，通过改变弹簧到固定铰支座的距离，可使系统固有频率近似线性变化，实现电磁式振动能量收集可调谐。
摆式振动系统频率调节公式如下：
其中，K为弹簧刚度，a为弹簧到固定铰支座距离，l为摆杆长度，m为永磁体质量，I0为摆杆以及永磁体组成的摆动部分的转动惯量。由上式可以看出，当mgl相对于2Ka2足够小的时候，系统固有频率f将随距离a线性变化。
本发明提供的振动能量收集装置，包括如下组成部分：
壳体、固定铰支座、摆杆、弹簧、永磁体、线圈、定子铁芯、摆杆滑槽、弹簧导向筒、壳体滑槽、螺栓。
所述的壳体与外界连接，将振动能量传递至其内部永磁体；
所述的摆杆一端通过固定铰支座与壳体连接，另一端与永磁体相连接，使永磁体能够同摆杆一起绕固定铰支座摆动；
所述的弹簧分别安装在摆杆左右两侧与壳体相连，通过调整弹簧在摆杆滑槽和壳体滑槽中的位置，改变弹簧到固定铰支座的距离，从而调节系统的固有频率；
所述的永磁体产生固定磁场，通过摆杆一起绕轴转动，使线圈相对永磁体做切割磁感线运动；
所述的线圈缠绕在定子铁芯外围，当永磁体摆动时，可在线圈中激发出感应电动势，形成感应电流；
所述的定子铁芯安装在外壳顶部，永磁体穿过铁芯，使磁场集中在铁芯内部，可以加强磁场的作用；
所述的摆杆滑槽和壳体滑槽分别用来调节弹簧与弹簧导向筒的位置，从而改变调节参数。
本发明的可调谐振动能量收集装置，相对现有技术具有如下优点和积极效果：
(1)本发明基于摆式振动原理，使得能量收集装置固有频率可调谐，且固有频率与调节参数成近似线性关系，与现有的可调谐振动能量收集装置相比，线性度更好。
(2)本发明为电磁式振动能量收集装置，具有体积小、寿命长、感测频率范围广、输出功率密度较大等优点。
(3)本发明主要适用于低功耗无线传感器网络和微机电系统的供电以及设备检测与故障诊断的应用中，因此可以根据不同的外界振动频率进行固有频率的调节，使用灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中一种可调谐振动能量收集装置的结构图。
图中：
1.壳体；2.固定铰支座；3.摆杆；4.弹簧；5.永磁体；6.线圈；7.定子铁芯；8.摆杆滑槽；9.弹簧导向筒；10.壳体滑槽；11.螺栓。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的在于设计一种可调谐振动能量收集装置，可以对不同振动频率的振动能量进行有效收集。
本发明提供的一种可调谐振动能量收集装置，如图1所示，包括：壳体(1)；固定铰支座(2)；摆杆(3)；弹簧(4)；永磁体(5)；线圈(6)；定子铁芯(7)；摆杆滑槽(8)；弹簧导向筒(9)；壳体滑槽(10)；螺栓(11)。
整个装置由壳体(1)固定，壳体(1)内部下端有固定铰支座(2)，通过固定铰支座(2)将摆杆(3)一端固定在壳体(1)上，摆杆(3)另一端与永磁体(5)相连，线圈(6)缠绕在定子铁芯(7)上，定子铁芯(7)固定在壳体(1)内部上端，摆杆(3)中部两侧各安装一个弹簧(4)，弹簧(4)一端与摆杆滑槽(8)相连，弹簧(4)另一端固定在弹簧导向筒(9)底部，弹簧导向筒(9)与壳体滑槽(10)相连，螺栓(11)将弹簧导向筒(9)固定在壳体(1)上。
采用本发明可调谐振动能量收集装置的工作过程如下：
首先，外壳(1)与外界相连，当外界振动时，振动能量传递至摆杆(3)，使摆杆(3)绕固定铰支座(2)来回摆动，从而与摆杆(3)末端相连的永磁体(5)随之摆动，弹簧(4)通过弹力，限制摆杆(3)摆动范围，使永磁体(5)只能在定子铁芯(7)内部运动，线圈(6)缠绕在定子铁芯(7)外围与外壳(1)固定，相对永磁体(5)做切割磁感线运动，从而使线圈(6)中生成感应电流，达到振动能量转换为电能的目的。
本发明的可调谐振动能量收集装置，可以通过调整分别安装在摆杆(3)左右两侧的弹簧(4)在摆杆滑槽(8)和壳体滑槽(10)中的位置，改变弹簧(4)到固定铰支座(2)的距离，从而调节系统的固有频率，使固有频率与共振频率保持一直，进而提高能量转换效率。整个装置结构简单，调谐线性度好，输出功率密度较大，使用灵活。

Claims (1)

1.一种可调谐振动能量收集装置，包括如下组成部分：壳体、固定铰支座、摆杆、弹簧、永磁体、线圈、定子铁芯、摆杆滑槽、弹簧导向筒、壳体滑槽、螺栓；其特征在于：壳体(1)内部下端有固定铰支座(2)，通过固定铰支座(2)将摆杆(3)一端固定在壳体(1)上，摆杆(3)另一端与永磁体(5)相连，线圈(6)缠绕在定子铁芯(7)上，定子铁芯(7)固定在壳体(1)内部上端，摆杆(3)中部两侧各安装一个弹簧(4)，弹簧(4)一端与摆杆滑槽(8)相连，弹簧(4)另一端固定在弹簧导向筒(9)底部，弹簧导向筒(9)与壳体滑槽(10)相连，螺栓(11)将弹簧导向筒(9)固定在壳体(1)上；
摆杆(3)一端通过固定铰支座(2)与壳体(1)连接，摆杆(3)另一端将永磁体(5)与摆杆(3)固定在一起，使永磁体(5)能够同摆杆(3)一起绕固定铰支座(2)摆动，形成摆式振动；弹簧(4)分别安装在摆杆(3)左右两侧，通过调整弹簧(4)在摆杆滑槽(8)和壳体滑槽(10)中的位置，改变弹簧(4)到固定铰支座(2)的距离，从而调节系统的固有频率；当环境振动频率发生变化时，通过改变可调谐振动能量收集装置固有频率，实现可调谐振动能量收集。
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