CN108964400B - 一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，由上感应线圈、圆柱形永磁体、下感应线圈、拱形阵列式永磁体、L型固定平台组成；所述上、下感应线圈镶嵌于工程塑料制成的薄圆盘内，通过高强度胶将其固定在拱形阵列永磁体两侧；所述圆柱形永磁体放置在拱形阵列式永磁体外径弧长最大的拱形永磁片上，在外加激励和吸引力作用下圆柱形永磁体能在拱形阵列式永磁体上做往复运动；所述拱形阵列式永磁体利用弧长不同的拱形永磁片粘贴叠加而成，同时外径弧长最大的拱形永磁片镶嵌于L型固定平台形成一体。这种新型结构可灵活调节拾振系统的固有频率，系统运行稳定，结构简单，易于实现，输出功率高，可广泛运用于能量采集领域。

Description

一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器

技术领域

本发明涉及振动能量采集领域，具体涉及一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器。

背景技术

随着物联网的普及，微型传感器在物联网领域中得到了广泛的应用。微型传感器是由集成电路制成的低功耗微机系统，供电问题是其重要的一个研究方向。振动能量是一种清洁无污染、环境中普遍存在的可再生能源，通过收集环境中的振动能量转化成电能，可为微型传感器供电。针对振动能量采集技术，相关学者已经开展了相关研究，比如：2010年上海交通大学的王佩红等人在论文“基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究”中提出了电磁式振动能量采集器在微机系统供电中的应用；2010年HalukKulah在文章“AMEMS-based Energy Harvester for Generating Energy from Non-resonantEnvironmental Vibrations”中提出了从非共振环境中产生能量给MEMS供电；2011年中国科学院上海微系统与信息技术研究所的李伟等人在专利“一种微型电磁式振动能量采集器及其制作方法”中提出了将环境中振动的机械能转化为电能，用于解决无线传感网络或微纳器件等电池供电的问题。电磁式、压电式和静电式是振动能量采集器的三种主要能量转换方式，其中基于法拉第电磁感应定律制成的电磁式振动能量采集器原理简单，使用范围广。采集效率、输出功率、工作频带是判定电磁式振动能量采集器性能优劣的重要指标。因此，相关研究机构相继研制各种结构的采集器以期获得更佳性能。2010年美国MarcoMarchesi等人在IEEE Transactions on Power Electronics发表的Analytical Model ofa Vibrating Electromagnetic Harvester Considering Nonlinear Effects提出了一种倾斜的磁悬浮结构振动能量采集器；2012年南京航天航空大学的邵伟等人在论文“电磁式振动能量采集结构的优化”中提出了一种蛇形结构振动能量采集器；2015年上海大学的陈立群等人在专利“一种L型梁结构内共振宽频振动能量采集器”中提出了一种L型梁结构振动能量采集器，该结构轻便简单，易于实现。

本发明提供了一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，创新性提出了基于永磁吸引力设计的拱形结构拾振系统，其体积小巧，安装方便，具有优良的抗疲劳性。实验表明：该系统运行稳定，操作难度低，输出功率高，工作频率可灵活调整。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单、系统损耗小、经久耐用、输出功率高、工作频率可调的拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器。

为达到上述目的，本发明解决技术问题所用的技术方案是：一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器包括，上感应线圈、圆柱形永磁体、下感应线圈、拱形阵列式永磁体、L型固定平台。其特征在于：拱形阵列式永磁体嵌入L型固定平台的卡槽内；圆柱形永磁体能平衡稳定在拱形阵列式永磁体中间位置；上感应线圈在圆柱形永磁体正上方并固定在拱形阵列式永磁体上，下感应线圈在圆柱形永磁体正下方并固定在拱形阵列式永磁体上。

所述拱形阵列式永磁体是由内外径相同的拱形永磁片相互吸引而构成。以外径弧长最大的拱形永磁片为中心，两侧对称放置外径弧长不等且规律变化的拱形永磁片。

所述拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片嵌入在L型固定平台的卡槽内，并采用高强度粘结胶经过固化使阵列式拱形永磁体和L型固定平台形成一个整体。

所述圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片厚度相等，其直径小于拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片直径，保证圆柱形永磁体运动中足够的行程。

所述圆柱形永磁体放置在拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片上，圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体均采用轴向磁化，且磁化方向相反。

所述圆柱形永磁体受到拱形阵列式永磁体对其的吸引力，在外加激励和吸引力作用下圆柱形永磁体能在拱形阵列式永磁体上做往复运动且不会滑落。

所述上、下感应线圈是规格相同的实心圆柱形自粘铜质线圈，并镶嵌于工程塑料制成的薄圆盘内，通过高强度粘结胶经过固化粘贴在拱形阵列永磁体上，感应线圈直径与圆柱形永磁体直径相等。

本发明具有以下效果：(1)拾振系统的固有频率可利用叠加弧长不同的拱形永磁片来改变，从而能在不同环境振动频率下与外界发生共振，这种非单一固有频率拾振系统能够更广泛地运用于实际生活中。(2)通过拱形阵列式永磁体可以提升上、下感应线圈中的磁通密度且能在圆柱形永磁体两端发生高度聚集，在外加激励作用下，能使感应线圈产生较大的感应电压，增加输出效率。(3)本发明使用L型固定平台，不仅能固定拱形阵列式永磁体，而且使得该振动能量采集器可在多方向上正常工作，拓展了其使用范围。(4)提到的圆柱形永磁体在拱形阵列式永磁体上滚动，能有效减小运动过程中的摩擦，从而减小系统的摩擦损耗。(5)上、下感应线圈采用规格相同的实心圆柱形自粘铜质线圈，通过镶嵌于工程塑料制成的薄圆盘内将其对称固定在圆柱形永磁体平衡位置两侧。在外加激励作用下，圆柱形永磁体会在水平方向振动，当运行于拱形阵列式永磁体的平衡位置，圆柱形永磁体达到最大速率，上、下感应线圈将会产生最大感应电压；当拾振系统的频率与外界激励的频率达到共振时，上、下感应线圈中电压达到峰值。(6)本发明提供的一种基于永磁阵列的拱形振动能量采集器结构简单易加工，体积小巧，系统运行稳定。

附图说明

图1为基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器处于水平位置时的示意图。

在图1中，1、上感应线圈，2、圆柱形永磁体，3、下感应线圈，4、拱形阵列式永磁体，5、L型固定平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施作进一步说明。

如图1所示，一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器装置包括：上感应线圈1、圆柱形永磁体2、下感应线圈3、拱形阵列式永磁体4、L型固定平台5。其特征在于：拱形阵列式永磁体4嵌入在L型固定平台5的卡槽内；圆柱形永磁体2能平衡稳定在拱形阵列式永磁体4中间位置；上感应线圈1在圆柱形永磁体2正上方并固定在拱形阵列式永磁体4上，下感应线圈3在圆柱形永磁体2正下方并固定在拱形阵列式永磁体4上。

所述拱形阵列式永磁体4是由内外径相同的拱形永磁片相互吸引而构成。以外径弧长最大的拱形永磁片为中心，两侧对称放置外径弧长不等且规律变化的拱形永磁片。

所述拱形阵列式永磁体4中外径弧长最大的拱形永磁片嵌入在L型固定平台5的卡槽内，并采用高强度粘结胶经过固化使阵列式拱形永磁体4和L型固定平台5形成一个整体。

所述圆柱形永磁体2与拱形阵列式永磁体4中外径弧长最大的拱形永磁片厚度相等，其直径小于拱形阵列式永磁体4中外径弧长最大的拱形永磁片直径，保证圆柱形永磁体2运动中足够的行程。

所述圆柱形永磁体2放置在拱形阵列式永磁体4中外径弧长最大的拱形永磁片上，圆柱形永磁体2与拱形阵列式永磁体4均采用轴向磁化，且磁化方向相反。

所述圆柱形永磁体2受到拱形阵列式永磁体4对其的吸引力，在外加激励和吸引力作用下圆柱形永磁体2能在拱形阵列式永磁体4上做往复运动且不会滑落。

所述上、下感应线圈是规格相同的实心圆柱形自粘铜质线圈，并镶嵌于工程塑料制成的薄圆盘内，通过高强度粘结胶经过固化粘贴在拱形阵列永磁体4上，感应线圈直径与圆柱形永磁体2直径相等。

参照图1，拱形阵列式永磁体4所采用的拱形永磁片包括如下规格：直径为60mm宽6mm(1号拱形永磁片)、长45mm宽6mm(2号拱形永磁片)、长30mm宽6mm(3号拱形永磁片)、长15mm宽6mm(4号拱形永磁片)；圆柱形永磁体2的直径为30mm、厚度为6mm；两个铜制自粘线圈线径为0.02mm、直径为30mm、共5000匝，通过圆柱形塑料分别安置于平衡位置的圆柱形永磁体2上下两侧，保持与圆柱形永磁体2适当的间距，避免圆柱形永磁体2运动时和感应线圈发生触碰；上感应线圈1与下感应线圈3串联，采用不同结构的拱形阵列式永磁体4进行实验，得到了不同的系统共振频率及输出电压。如下表所示：

实验结果表明：本发明提出的一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器可适应不同的外加激励频率，当系统达到共振时，能够获得较高的输出电压。

Claims (7)

1.一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，包括如下部分：上感应线圈、圆柱形永磁体、下感应线圈、拱形阵列式永磁体、L型固定平台；其特征在于：拱形阵列式永磁体由内外径相同的拱形永磁片相互吸引而构成，以外径弧长最大的拱形永磁片为中心，两侧对称放置外径弧长不等且规律变化的拱形永磁片，采用高强度粘结胶经过固化使拱形阵列式永磁体和L型固定平台形成一个整体，拱形阵列式永磁体嵌入在L型固定平台的卡槽内；圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片厚度相等，其直径小于拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片直径，圆柱形永磁体能平衡的稳定在拱形阵列式永磁体中间位置；上感应线圈在圆柱形永磁体正上方并固定在拱形阵列式永磁体上，下感应线圈在圆柱形永磁体正下方并固定在拱形阵列式永磁体上；圆柱形永磁体放置在拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片上，圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体均采用轴向磁化，且磁化方向相反；圆柱形永磁体受到拱形阵列式永磁体对其的吸引力，在外加激励和吸引力作用下圆柱形永磁体能在拱形阵列式永磁体上做往复运动且不会滑落。

2.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述拱形阵列式永磁体是由内外径相同的拱形永磁片相互吸引而构成；以外径弧长最大的拱形永磁片为中心，两侧对称放置外径弧长不等且规律变化的拱形永磁片。

3.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片嵌入在L型固定平台的卡槽内，并采用高强度粘结胶经过固化使阵列式拱形永磁体和L型固定平台形成一个整体。

4.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片厚度相等，其直径小于拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片直径，保证圆柱形永磁体运动中足够的行程。

5.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述圆柱形永磁体放置在拱形阵列式永磁体中外径弧长最大的拱形永磁片上，圆柱形永磁体与拱形阵列式永磁体均采用轴向磁化，且磁化方向相反。

6.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述圆柱形永磁体受到拱形阵列式永磁体对其的吸引力，在外加激励和吸引力作用下圆柱形永磁体能在拱形阵列式永磁体上做往复运动且不会滑落。

7.根据权利要求1所述一种基于拱形结构的永磁阵列式振动能量采集器，其特征在于，所述上、下感应线圈是规格相同的实心圆柱形自粘铜质线圈，并镶嵌于

工程塑料制成的薄圆盘内，通过高强度粘贴胶经过固化粘贴在拱形永磁体两侧，

感应线圈直径与圆柱形永磁体直径相等。