CN109217608B - 多点碰撞低频电磁能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
多点碰撞低频电磁能量收集系统，本发明涉及低频振动能量收集领域；悬臂梁长板的固定端固定在固定架载体垂直板的中部，悬臂梁长板的自由端上表面设有多匝线圈，多匝线圈上的线圈分别通过一号导线和二号导线与负载电阻的两端连接；多匝线圈的正下方设有永久磁铁块，永久磁铁块固定在固定架载体下侧板的上表面；下悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体下侧板的上表面，下悬臂梁短板的自由端固定有下碰撞质量块；上悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体上侧板的下表面，上悬臂梁短板的自由端固定有上碰撞质量块。有效的实现低频振动模态向中高频振动模态转化来接近微器件的固有振动频率，可实现低频状态下的电磁能量收集。
Description
技术领域
本发明涉及低频振动能量收集领域，具体涉及多点碰撞低频电磁能量收集系统。
背景技术
振动是自然界一种不可避免的物理现象，利用自然界的振动能转化为电能的方式有多种，如压电转化、电容转化及电磁转化等。但是人类可收集的能量大部分都是低频振动能，从而致大部分器件在低频状态下的能量收集效率非常低，甚至无法收集低频振动的能量，特别是低于50Hz的振动。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的多点碰撞低频电磁能量收集系统，有效的实现低频振动模态向中高频振动模态转化来接近微器件的固有振动频率，多点碰撞长悬臂梁两侧可急剧增大长悬臂梁的振动频率，可极大提高电能输出密度，结合运动线圈切割磁感线原理，可实现低频状态下的电磁能量收集。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包含固定架载体、悬臂梁长板、下碰撞质量块、下悬臂梁短板、永久磁铁块、一号导线、负载电阻、二号导线、多匝线圈、上悬臂梁短板、上碰撞质量块；所述的悬臂梁长板的固定端固定在固定架载体垂直板的中部，悬臂梁长板的自由端上表面设有多匝线圈，多匝线圈上的线圈分别通过一号导线和二号导线与负载电阻的两端连接；所述的多匝线圈的正下方设有永久磁铁块，永久磁铁块固定在固定架载体下侧板的上表面；所述的下悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体下侧板的上表面，下悬臂梁短板的自由端固定有下碰撞质量块；所述的上悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体上侧板的下表面，上悬臂梁短板的自由端固定有上碰撞质量块；
所述的下悬臂梁短板、永久磁铁块、多匝线圈以及上悬臂梁短板的中心均处于同一垂直面上；
上下碰撞点不对称；
所述的悬臂梁长板采用PMMA材料、金属铝材料或硅，其谐振频率为100Hz-1Khz；悬臂梁长板的尺寸长度为2cm-20cm，宽度为1cm-5cm，厚度为1mm-5mm；
所述的下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的材料为硅胶、橡胶、PDMS、黄铜、SU8或苯并环丁烯；下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的谐振频率为5Hz-100Hz；下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的尺寸长度为5mm-5cm，宽度为1mm-1cm，厚度为1mm-5mm。
进一步地，所述的多匝线圈的原材料为铜，多匝线圈的几何形状制作成圆环形、矩环形、梯环形、五角环形。
进一步地，所述的下碰撞质量块和上碰撞质量块的原材料为铜，且上碰撞质量块、下碰撞质量块与悬臂梁长板的碰撞点保持距离。
进一步地，所述的永久磁铁块选用采用NdFeB。
本发明的工作原理如下：当外部低频振动激励作用到系统上，固定在多个悬臂梁短板自由端的碰撞质量块会相应低频振动，其连接的碰撞质量块不可避免的会撞击悬臂梁长板的碰撞点，因其多点碰撞，从而会极大提升悬臂梁长板自由端的振动频率使之接近其中高频的固有频率，同时固定在悬臂梁长板自由端的多匝线圈发生切割磁感线运动，从而达到自发电效果，其产生的电能可输出到负载消耗或储存。
采用上述结构后，本发明有益效果为：
1、因自然界大部分运动能都是低频振动能，但是在低频能量收集过程中，现有的电磁振动能量收集器有效工作频率高，导致能量收集效果很差，为解决低频能量收集，本发明提出的多点碰撞低频振动电磁式能量收集结构，利用碰撞而进行的低频到中高频能量转化的结构，有效的实现了低频振动的电磁能量收集；
2、现有的振动能量收集器主要是基于电容式、压电式能量收集，电容式器件需要提供初始电压，压电式价格昂贵且制作复杂，本发明提出的多点碰撞低频能量收集器采用电磁式原理，利用悬臂梁振动进行的能量收集结构，易获得较大的感应电流，且制作方便；此外，器件不需像电容式能量那样单独设置预充电源，也不需像压电式能量收集那样制工复杂，实现了电磁式能量收集的无源化及制作工艺简单化；
3、本发明通过多点碰撞悬臂梁长板的两面，从而可急剧增大悬臂梁长板的振动频率，可极大提高电能输出密度，能极大扩展能量收集频带，实现最大平均能量收集输出及能量转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的能量收集部分等效电路图。
图3是本发明的测试结果图。
附图标记说明：
固定架载体1、悬臂梁长板2、下碰撞质量块3、下悬臂梁短板4、永久磁铁块5、一号导线6、负载电阻7、二号导线8、多匝线圈9、上悬臂梁短板10、上碰撞质量块11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参看如图1-图3所示，本具体实施方式采用的技术方案是：包含固定架载体1、悬臂梁长板2、下碰撞质量块3、下悬臂梁短板4、永久磁铁块5、一号导线6、负载电阻7、二号导线8、多匝线圈9、上悬臂梁短板10、上碰撞质量块11；所述的悬臂梁长板2的固定端固定在固定架载体1垂直板的中部，悬臂梁长板2的长、宽与厚尺寸依据实际需求来制定，其尺寸越小，悬臂梁长板2的固有频率也就越高，悬臂梁长板2的自由端上表面设有多匝线圈9，多匝线圈9上的线圈分别通过一号导线6和二号导线8与负载电阻7的两端连接；所述的多匝线圈9的正下方设有永久磁铁块5，永久磁铁块5固定在固定架载体1下侧板的上表面；所述的下悬臂梁短板4的固定端固定在固定架载体1下侧板的上表面，下悬臂梁短板4的自由端固定有下碰撞质量块3；所述的上悬臂梁短板10的固定端固定在固定架载体1上侧板的下表面，上悬臂梁短板10的自由端固定有上碰撞质量块11；所述的上碰撞质量块11、下碰撞质量块3与悬臂梁长板2的碰撞点保持微小距离，悬臂梁长板2的碰撞点由下悬臂梁短板4与上悬臂梁短板10的长度来决定，调节此参数可进行其输出能量输出效率的优化，采用其多点碰撞的方式原因是悬臂梁长板2两面的多点碰撞可急剧增大悬臂梁长板2的振动频率，从而可极大提高电能输出密度；当多匝线圈9受激做中高频纵向运动时，多匝线圈9上产生洛伦兹力与悬臂梁长板2相互发生耦合，并反作用于多匝线圈9纵向运动，电能传输一号导线6和二号导线8，从多匝线圈9引出后串联上负载电阻7，负载电阻7的值会决定输出的收集平均能量值；当多点碰撞低频振动电磁能量收集系统安装在低频振动环境中或携带在人体时，环境或人体的振动通过下碰撞质量块3和上碰撞质量块11撞击悬臂梁长板2，使悬臂梁长板2的自由端不停的纵向做中高频的振动，从而带动多匝线圈9亦做相同的中高频纵向运动，多匝线圈9处在永久磁铁5的空间磁场分布之中，因此多匝线圈9随之产生瞬态交流电流，瞬态交流电流随即输出到负载电阻7消耗，可实现低频状态下的电磁能量自发电效果。
进一步地，所述的下悬臂梁短板4、永久磁铁块5、多匝线圈9以及上悬臂梁短板10的中心均处于同一垂直面上。
进一步地，所述的所述的悬臂梁长板2优先选用PMMA材料、金属铝材料等，保证其有足够的弹性形变，如果微制造需求更小尺寸，亦可使用硅；悬臂梁长板2的材料可偏硬，其谐振频率可为100Hz-1Khz；悬臂梁长板2的尺寸长度为2cm-20cm，宽度为1cm-5cm，厚度可为1mm-5mm。
进一步地，所述的下悬臂梁短板4和上悬臂梁短板10的材料为硅胶、橡胶、PDMS、黄铜等，保证其有足够的弹性形变，如果微制造需求更小尺寸，可使用SU8或苯并环丁烯等；下悬臂梁短板4和上悬臂梁短板10的材料选取尽量偏软，其谐振频率可为5Hz-100Hz；下悬臂梁短板4和上悬臂梁短板10的尺寸长度为5mm-5cm，宽度为1mm-1cm，厚度可为1mm-5mm。
进一步地，所述的多匝线圈9的原材料为铜，多匝线圈9的几何形状可制作成圆环形、矩环形、梯环形、五角环形等。
进一步地，所述的下碰撞质量块3和上碰撞质量块11的原材料为铜，且上碰撞质量块11、下碰撞质量块3与悬臂梁长板2的碰撞点保持微小距离，空间距离根据需求的能量收集测算来确定，其理想的尺寸距离可为0-5mm。
进一步地，所述的永久电磁铁块5选用NdFeB，永久电磁铁块5的空间距离尽量保持合理范围，例如最佳距离范围可为1mm-1cm；同时，还可在多匝线圈9上空间及旁边空间的恰当位置安装磁铁块，但磁铁块的极性应该与永久电磁铁块5对应磁铁相排斥；空间角度位置包括0-360度。
进一步地，所述的负载电阻7得值应通过测算确定，测算方法依据器件的平均收集能量。
本具体实施方式的工作原理：当外部低频振动激励作用到系统上，固定在多个悬臂梁短板自由端的碰撞质量块会相应低频振动，其连接的碰撞质量块不可避免的会撞击悬臂梁长板的碰撞点，因其多点碰撞，从而会极大提升悬臂梁长板自由端的振动频率使之接近其中高频的固有频率，同时固定在悬臂梁长板自由端的多匝线圈发生切割磁感线运动，从而达到自发电效果，其产生的电能可输出到负载消耗或储存。
采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明提供的多点碰撞低频电磁能量收集系统，有效的实现低频振动模态向中高频振动模态转化来接近微器件的固有振动频率，多点碰撞长悬臂梁两侧可急剧增大长悬臂梁的振动频率，可极大提高电能输出密度，结合运动线圈切割磁感线原理，可实现低频状态下的电磁能量收集。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.多点碰撞低频电磁能量收集系统，其特征在于：包含固定架载体、悬臂梁长板、下碰撞质量块、下悬臂梁短板、永久磁铁块、一号导线、负载电阻、二号导线、多匝线圈、上悬臂梁短板、上碰撞质量块；所述的悬臂梁长板的固定端固定在固定架载体垂直板的中部，悬臂梁长板的自由端上表面设有多匝线圈，多匝线圈上的线圈分别通过一号导线和二号导线与负载电阻的两端连接；所述的多匝线圈的正下方设有永久磁铁块，永久磁铁块固定在固定架载体下侧板的上表面；所述的下悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体下侧板的上表面，下悬臂梁短板的自由端固定有下碰撞质量块；所述的上悬臂梁短板的固定端固定在固定架载体上侧板的下表面，上悬臂梁短板的自由端固定有上碰撞质量块；
所述的下悬臂梁短板、永久磁铁块、多匝线圈以及上悬臂梁短板的中心均处于同一垂直面上；
上下碰撞点不对称；
所述的悬臂梁长板采用PMMA材料、金属铝材料或硅，其谐振频率为100Hz-1Khz；悬臂梁长板的尺寸长度为2cm-20cm，宽度为1cm-5cm，厚度为1mm-5mm；
所述的下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的材料为硅胶、橡胶、PDMS、黄铜、SU8或苯并环丁烯；下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的谐振频率为5Hz-100Hz；下悬臂梁短板和上悬臂梁短板的尺寸长度为5mm-5cm，宽度为1mm-1cm，厚度为1mm-5mm。
2.根据权利要求1所述的多点碰撞低频电磁能量收集系统，其特征在于：所述的多匝线圈的原材料为铜，多匝线圈的几何形状制作成圆环形、矩环形、梯环形、五角环形。
3.根据权利要求1所述的多点碰撞低频电磁能量收集系统，其特征在于：所述的下碰撞质量块和上碰撞质量块的原材料为铜，且上碰撞质量块、下碰撞质量块与悬臂梁长板的碰撞点保持距离。
4.根据权利要求1所述的多点碰撞低频电磁能量收集系统，其特征在于：所述的永久磁铁块选用采用NdFeB。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |