CN108539951B - 一种二维电磁式动能采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维电磁式动能采集器,其主要由外框架、内框架和滚珠构成。外框架由外壳、线圈固定板、线圈阵列构成。内框架由支架、磁铁固定板、磁铁阵列和弹簧构成。内框架通过滚珠与外框架隔离开。内框架四周有弹簧,弹簧与外框架之间有初始间距。多个金属线圈构成格子式线圈阵列,相邻线圈反向串联。多个磁铁构成格子式磁铁阵列,相邻磁铁磁极方向相反。每个线圈的平面尺寸与对应的磁铁相同。内框架上水平地固定了多层磁铁阵列,每两层磁铁阵列之间有一层固定于外框架上的线圈阵列。相邻两层磁铁阵列上位于同一位置处的磁铁南、北极相对,相邻两层线圈反向串联。本发明提出的采集器可采集水平面内任意方向的振动能,可应用于物联网等领域。

Description

一种二维电磁式动能采集器
【技术领域】
本发明属于可再生能源和物联网领域,特别涉及到一种可以为无线传感器节点供电的新型电源。
【背景技术】
近年来,微电子技术、传感器技术和无线通讯技术取得了重要进展,促进了物联网技术的发展。物联网技术需要将成千上万个无线传感器节点组建成一个网络,这些无线传感器节点目前大多采用传统的化学电池供电,由于这些化学电池寿命短、体积大,对使用环境的温度、湿度要求高,而且还会污染环境,其应用受到极大的限制,因此基于化学电池的供电技术已经严重制约了物联网技术的快速发展与实际应用。针对无线传感器节点的用电需求,国内外对环境能量采集技术进行了深入研究,开发出了太阳能电池、热电池、动能采集器等新型微小型能源系统,这些微小型能源系统具有工作寿命长、免维护、体积小、易于与传感器集成等优点,有望替代电池为无线传感器节点供电,因此开展相关的研究具有重要的科学意义和实用价值。
环境中存在很多种运动,如高层建筑和桥梁的振动、树木的摆动、人体的运动、车的振动、船的晃动、空气的流动、水的流动等等,这些运动在自然界中广泛存在,开展将这些运动的动能高效地转换为电能的微小型动能采集器研究,已成为新型微小型能源系统研究的热点。为了将环境中的振动能转换为电能,国内外开发了很多的微小型振动能采集器,这些振动能采集器大多基于谐振机理,当环境振动的频率接近采集器的固有频率时,采集器可以产生较高的电学输出;但一旦环境振动的频率偏离采集器的固有频率,采集器的输出功率将急剧降低。当谐振式振动能采集器的尺寸时,其固有频率一般也会降低,因此微小型谐振式振动能采集器的固有频率一般比较高。目前报道的微小型振动能采集器大多只能高效地采集某一个特定方向的振动能,对其他方向的振动能采集效率很低。但是,自然环境(如人体、树木、高层建筑、大跨径桥梁、船等)中的振动一般频率较低,大多在30Hz以下,而且这些振动还存在多方向、宽带(频带宽大)、微弱等特点,因此常规的谐振式微小型振动能采集器对这些自然环境中存在的多方向、低频、宽带和微弱的振动能采集效率较低,其输出不能满足无线传感器节点的用电需求。研究环境中微弱的低频、宽带、多方向振动能的高效采集方法和相应的动能采集器新结构,对促进微小型动能采集器在物联网等领域的广泛应用具有十分重要的意义。
本发明提出一种二维电磁式动能采集器,其利用滚动摩擦力小的特点提高对微弱振动能的采集能力,采用格子式磁铁阵列和格子式金属线圈阵列将水平面内任意方向的相对运动转换为电能,利用滚动和碰撞实现低频、宽带振动能的采集,特别适合于采集自然环境中微弱的二维、宽带和低频振动能。该二维环境动能采集器具有工作寿命长、免维护、可靠性高、可微型化和无污染等诸多优点,在物联网等领域具有广阔的应用前景。
【发明内容】
本发明提出一种二维电磁式动能采集器,该采集器可以采集水平面内任意方向的微弱、低频、宽带振动能。
为了实现上述发明目的,本发明采取以下技术方案:
一种二维电磁式动能采集器,其主要由外框架、内框架和滚珠构成。
外框架由外壳、线圈固定板、线圈阵列组成。将多个金属线圈依次固定于线圈固定板上形成格子式线圈阵列;将位于同一个格子式线圈阵列上的所有线圈电学串联起来,其中要使任意两个相邻的线圈反向串联(就是说从金属导线的一端开始沿着金属导线走,若沿着一个线圈是顺时针的,则走到同一个线圈固定板上与其相邻的线圈上时必然是逆时针的),可根据需要在多个线圈固定板上组装线圈阵列;在外框架上水平地安装多层格子式线圈阵列,每一层线圈阵列位于同一个水平面内;将各层线圈阵列电学串联起来,要求相邻的两层线圈阵列反向串联(就是说从金属导线的一端开始沿着金属导线走,若走到某一层某个位置的线圈时是顺时针方向,则走到与其相邻的另一层相同位置的线圈时,则是逆时针方向)。
内框架由支架、磁铁固定板、磁铁阵列和弹簧构成。将多个磁铁依次固定于磁铁固定板上形成格子式磁铁阵列,使位于同一个格子式电磁铁阵列上的相邻磁铁的南、北极方向相反(就是说对于任何两个相邻的磁铁,若一个磁铁的南极在上面,北极在下面,那么在同一个磁铁固定板上与其相邻的磁铁必然是北极在上面,南极在下面),可根据需要在多个磁铁固定板上组装格子式磁铁阵列;在支架上水平地安装多层格子式磁铁阵列,每一层磁铁阵列位于同一个水平面内,同时使相邻两层磁铁阵列在同一个平面位置的两个磁铁的南、北极相对(即相邻两层位于同一个平面位置的两个磁铁是互相吸引的)。
内框架上的磁铁阵列中每个磁铁的平面尺寸与外框架上的线圈阵列中每一个线圈的平面尺寸相同。内框架上固定的任意两层磁铁固定板之间均插入一层水平地固定于外框架上的线圈固定板,并将线圈与磁铁在竖直面内对准。
内框架的四周设置有弹簧,当内框架被放在外框架中间时,内框架的弹簧与外框架的内壁之间有一个初始间距。
外框架底板的上面设有4个凹槽,内框架底板的下面在对应位置处设有4 个凹槽,安装时先在外框架底板的4个凹槽内各放置一个滚珠,再将内框架放入外框架内部,滚珠的直径稍大于外框架底板上面的凹槽与内框架底板下面的凹槽的深度之和,以确保外、内框架的底部之间有一个合适的间距,而不会直接接触;另外,在外框架顶板的下面设有4个凹槽,在内框架顶板的上面在对应位置处设有4个凹槽,在完成外框架上的线圈支架及金属线圈阵列的安装后,先在内框架顶板的4个凹槽内各放置一个滚珠,再将外框架的顶板盖上,滚珠的直径稍大于外框架顶板下面的凹槽与内框架顶板上面的凹槽的深度之和,以确保外、内框架的顶部之间有一个合适的间距。滚珠的直径远小于外框架和内框架上的凹槽平面尺寸,以确保滚珠可以在凹槽内自由滚动。
在水平方向基础激励的作用下,内外框架之间将产生水平方向的相对运动,由于线圈阵列固定于外框架上,磁铁阵列固定于内框架上,因此内外框架间的相对运动将导致格子式磁铁阵列与格子式线圈阵列之间产生一个水平方向的相对运动,从而改变通过各金属线圈的磁通量,由于相邻磁铁方向相反,相邻线圈磁通量改变的方向是相反的,因此相邻线圈产生的感生电动势方向相反,由于同一层的相邻线圈是反向串联的,因此各线圈感生电动势在电学回路中是同方向的。由于相邻两层线圈阵列所处的磁场方向是相反的,而它们相对于磁铁阵列的运动方向是相同的,因此位于相邻两层线圈在同一个位置处的两个线圈的磁通量变化是相反的,将相邻两层线圈反向串联,可以确保相邻两层线圈的电学输出在回路中是加强的。
本发明引入了滚珠,由于滚动摩擦力很小,当环境中有水平方向的运动时,即使这种运动很微弱,也能使内外框架之间易于产生水平面内的相对运动,进而在线圈中产生感生电动势,因此该采集器具有高效采集环境中的微弱振动能的能力。与常规的谐振式振动能采集器只能在共振点附近高效采集环境中的振动能不同,本发明提出的环境动能采集器不是谐振式结构,可以高效采集环境中的低频、宽带振动能。
当内框架运动到很靠近外框架的边缘时,内框架上的弹簧与外框架碰撞后缩短,同时将内、外框架之间的相对运动转换成弹簧的弹性势能储存起来,在弹簧恢复原长的过程中,弹性势能又转换为内、外框架的动能,因此引入弹簧有利于降低内外框架碰撞导致的能量损失,从而提高采集器的电学输出。
与现有的电磁式动能采集器相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明提出的二维电磁式动能采集器,其采用相间排布的多层格子式磁铁阵列和多层格子式金属线圈阵列,当环境中存在任意水平方向的振动时,磁铁阵列和金属线圈阵列之间产生水平面内的相对运动,在各线圈中产生感生电流,所以可以采集水平面内任意方向的环境振动能;
2、本发明提出的二维电磁式动能采集器,同一层磁铁阵列的相邻磁铁磁场方向相反,同一层线圈阵列的相邻线圈反向串联,位于相邻的两层格子式磁铁阵列的相同位置的两个磁铁南、北极正对,各层线圈阵列之间的线圈反向串联,可确保各线圈的电学输出相互加强;
3、本发明提出的二维电磁式动能采集器,其利用滚珠将内外框架连接起来,由于滚动摩擦力很小,在微弱环境激励下内外框架之间也易于产生相对运动,因此对环境中微弱的振动能具有高采集效率;
4、本发明提出的二维电磁式动能采集器,不属于常规的谐振式振动能采集器,可以高效采集环境中的低频、宽带振动能;
5、本发明提出的二维电磁式动能采集器,在内框架上固定有弹簧,降低了内、外框架直接碰撞引起的能量损失,有利于提高了能量采集效率;
6、本发明提出的二维电磁式动能采集器,可以高效采集水平面内任意方向的振动能;
7、本发明提出的二维电磁式动能采集器,可以通过增加磁铁和线圈层数提高电学输出,易于扩展和阵列化,同时具有工作寿命长、可靠性高、无污染、结构简单、可微型化、成本低和可批量化等优点,可广泛应用于物联网等领域。
【附图说明】
图1是二维电磁式动能采集器的结构示意图。
图2是外框架的结构示意图。
图3是一层线圈固定板及格子式磁铁阵列的结构示意图。
图4是内框架的结构示意图。
图5是一层磁铁固定板及格子式线圈阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示,一种二维电磁式动能采集器,其主要由外框架1、内框架2 和滚珠3构成。外框架1由外壳4、线圈固定板5、线圈阵列6组成。内框架 2由支架7、磁铁固定板8、磁铁阵列9和弹簧13构成。外框架1的底板11 上面和顶板12下面各有四个凹槽,在内框架2的底板10下面和顶板14上面的对应位置也各有四个凹槽。在将内框架2置于外框架1内部时,在外框架1 与内框架2各配对的凹槽内均有一个滚珠3。内、外框架上各配对凹槽的深度之和小于滚珠3的直径,使内框架2在底部和顶部均不会直接与外框架1接触(中间只通过滚珠3支撑起来)。凹槽的平面尺寸远大于滚珠3的直径,因此在外界激励作用下,内框架2通过滚珠可以在外框架1内运动。
在将多个金属线圈依次固定于线圈固定板5上形成格子式线圈阵列6时,把这些线圈电学串联起来,要求任意两个相邻线圈是反向串联的,将线圈固定板5水平地固定于外框架1上,外框架1上设置多层格子式线圈阵列6,每一层线圈阵列6位于同一个水平面内,把各层线圈电学串联起来,要求相邻两层线圈阵列是反向串联的;在将磁铁组装到格子式的磁铁固定板8上形成磁铁阵列9时,使相邻磁铁的南、北极方向相反,将磁铁固定板8水平地固定于支架7上,支架7上设置多层格子式磁铁阵列9,每一层磁铁阵列9位于同一个水平面内,并使相邻两层磁铁阵列上位于同一位置处的磁铁南、北极相对。采集器组装完成后,在水平地固定于内框架2上的相邻两层磁铁阵列9 之间设置有一层线圈阵列6,线圈阵列6水平地固定于外框架1上。内框架2 上的磁铁阵列9中每个磁铁的平面尺寸与外框架1上线圈阵列6中每一个线圈的平面尺寸相同。内框架2的四周设置有弹簧,当内框架2被放在外框架1 中间时,内框架2的弹簧与外框架1的内壁有一个初始间距。
采集器的安装过程如下:(1)将磁铁组装到磁铁固定板8上形成格子式磁铁阵列9,要求相邻的磁铁南、北极反向,根据需要,可组装带格子式磁铁阵列9的磁铁固定板8数个,再将各层磁铁固定板8水平地固定于内框架2上,要求位于相邻两层磁铁阵列8的相同平面位置处的两个磁铁相互吸引,完成内框架2的制作;(2)将金属线圈组装到线圈固定板5上,并将相邻线圈反向串联,形成格子式线圈阵列6,根据需要,可根据需要组装带格子式线圈阵列 6的线圈固定板5数个;(3)在外框架1底板11上面的四个凹槽内各放入一颗滚珠3,再将内框架2放入外框架1内;(4)在内框架任两层的磁铁固定板8 之间插入一层线圈固定板5(安装有格子式线圈阵列6),并将线圈固定板5水平地固定于外框架1上,将各层线圈阵列电学串联起来,其中要求相邻的两层线圈阵列反向串联;(5)在内框架2顶部14的四个凹槽内各放入一颗滚珠3,再盖上外框架1的顶板并固定即可。
当环境中存在水平面内任意方向的运动时,内框架2将相对于外框架1 发生水平方向的相对运动,导致格子式磁铁阵列9相对于格子式线圈阵列6 发生相对运动,引起通过每个线圈的磁通量发生变化,进而产生感生电动势。由于相邻磁铁之间的磁场方向相反,只要内框架2与外框架1存在水平方向的相对速度,无论是哪个方向的相对运动,位于同一层线圈固定板5上的相邻线圈的磁通量变化都是相反的,而相邻线圈在电学上是反向串联的,因此相邻线圈产生的感生电动势在电学回路中同方向的。另外,由于相邻两层线圈阵列6产生的电动势的方向是相反的,因此反向串联的这两层线圈阵列6 的感生电动势在电学回路中是同方向的。线圈的这种连接方式可以保证采集器的总电动势是各线圈电动势的代数和。由此可见,该采集器可以采集环境中水平面内任意方向的振动能。
由于滚动摩擦力很小,微弱的低频环境振动就会导致内框架2和外框架1 之间的相对运动,从而产生电学输出,因此该采集器可以高效采集环境中的微弱振动能。
本发明提出的二维电磁式动能采集器,其外框架1和内框架2之间的相对运动是通过滚珠3的滚动实现的,与常规的谐振式振动能采集器只能高效采集其固有频率附近的振动不同,该采集器可以高效采集环境中的低频、宽带振动能。
当内框架2运动到外框架1的边缘附近时,内框架2上的弹簧13将与外框架1的内表面接触,弹簧13缩短,将内、外框架的相对运动转换为弹簧13 的势能储存起来,当弹簧13伸长时,这部分弹性势能将转化为内、外框架的动能。弹簧13的引入有利于降低内、外直接碰撞所产生的能量损失,从而进一步提高能量采集效率。
最后需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种二维电磁式动能采集器,其主要由外框架、内框架和滚珠构成,外框架由外壳、线圈固定板、线圈阵列构成,内框架由支架、磁铁固定板、磁铁阵列和弹簧构成,内框架在顶部和底部通过滚珠与外框架隔离开,内框架的四周安装有弹簧,当内框架放置于外框架的中间时,弹簧与外框架内壁之间有一个初始间距,金属线圈在线圈固定板上形成格子式线圈阵列,磁铁在磁铁固定板上形成格子式磁铁阵列,内框架上水平地固定了多层磁铁阵列,在每两层磁铁阵列之间有一层固定于外框架上的线圈阵列。
2.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:对于固定于同一层线圈固定板上的格子式线圈阵列,相邻的线圈反向串联;对于固定于同一层磁铁固定板上的格子式磁铁阵列,相邻的磁铁磁极方向相反,以确保同一层的各线圈的电学输出相互加强。
3.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:相邻两层磁铁阵列上位于同一位置处的磁铁南、北极相对,相邻两层线圈阵列反向串联,以确保各层线圈阵列的电学输出相互加强。
4.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:利用滚珠将内外框架连接起来,由于滚动摩擦力很小,在微弱环境激励下内外框架之间也易于产生相对运动,因此对环境中微弱振动能具有高采集效率。
5.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:内、外框架之间的相对运动主要是由滚珠滚动产生的,在内、外框架相对运动较大时,内框架上的弹簧会碰撞外框架内壁。
6.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:在内框架侧壁固定有弹簧,降低了内、外框架直接碰撞引起的能量损失,提高了能量采集效率。
7.如权利要求1所述的二维电磁式动能采集器,其特征在于:可以高效采集水平面内任意方向的振动能。
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