CN113595354B - 震动能源采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种震动能源采集装置，包括震动机械能转化装置与采集装置。震动机械能转化装置包括一个永磁体组、上下铁芯、固定中轴、线圈、弹簧片、绕组支架及外壳。永磁体组由两个磁铁叠加而成，相邻磁铁面极性相同、之间设置导磁垫片，永磁体组固定在上下铁芯之间,固定中轴将永磁体组与上下铁芯定位紧固。线模外表面开有凹槽，凹槽内设置导电线圈，线模固定在绕组支架上，外壳上下分别设置固定盖和上下底盖。采集装置包含整流电路、稳压电路及储能单元，采集装置放入外壳内。本发明将环境中的震动机械能转化成电能，并输出稳定直流电压，可以取代传统的电池供电方式，避免频繁更换电池的麻烦，减少环境污染，并且使用方便，无需维护。
Description
技术领域
本专利涉及自发电技术领域，涉及一种震动能源采集装置。
背景技术
随着近些年电子技术的突飞猛进，无线通讯功耗越来越低，为能源采集提供了一个很好的应用场景。可持续无线传感网络由于其背后的两项关键驱动技术（即能量收集和能量管理）而被广泛使用。但仍然面临一个十分严重的问题,即如何保障这些无线传感单元的电能供给。传统工业较为流行的做法是使用电池。然而，电池体积大，寿命有限，难以定期更换。对于成千上万随机散布在自然环境中的无线传感器节点而言，定期更换电池几乎不可能实现，而且电池中含有重金属，废旧电池处理不当容易造成严重的环境污染。所以,采用传统电池已经不能满足无线传感网络的发展要求。通过能源采集技术，可以将环境中的机械能、太阳能、风能等转化为电能，从而代替传统电池解决低功耗无线传感器供电问题，永久地为无线传感网络等应用中的传感器及电子器件和电路提供电力。
发明内容
本发明提供一种震动能源采集装置，该装置可以将振动能转化为电能，且环保，使用方便无需维护。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：震动能源采集装置，包括：震动机械能转化装置和采集装置；其中震动机械能转化装置，包括：一个永磁体组、上铁芯、下铁芯、固定中轴、导电线圈、若干弹簧片、绕组支架及外壳；
永磁体组上部与上铁芯相连，并通过弹簧片与外壳上侧固定连接；
永磁体组底部与下铁芯相连，并通过弹簧片与外壳底部固定连接；
固定中轴，用于紧固永磁铁组和上铁芯、下铁芯；
绕组支架，支架的第一端设置在铁芯与永磁体组之间的间隙内，第二端与外壳固定连接，绕组支架穿过下铁芯；
线模，用于绕制导电线圈，设置在绕组支架的第一端上，与绕组支架固定连接；
导电线圈，沿着径向围绕着永磁体组，导电线圈绕设在线模凹槽内；
采集装置，包括：整流电路、稳压电路及储能单元；
采集装置设置在外壳内；
整流电路的输入端与导电线圈电连接，输出端与稳压电路的输入端电连接；
稳压电路的输出端与储能单元电连接，稳压电路的输出端进行电能输出。
作为优选，所述的永磁体组由两个及以上轴向磁化的强永磁体沿轴向叠加而成，永磁体的相邻面的极性相同，永磁体之间设置有导磁垫片；
导磁垫片，用于消除了磁铁间排斥力同时增加径向磁感应强度，采用高导磁材料制成，导磁垫片的厚度为强永磁体厚度的0.4-0.7倍；
强永磁体与导磁垫片组成中空圆柱形。
同时，采用了高导磁材料的导磁垫片相对空气隙具有更小的磁阻，有益于增强导电线圈周围的磁场强度，从而增强了线圈切割磁力线时感应产生的电压。
作为优选，所述的永磁体组，包括：至少两个圆柱形轴向磁化的强永磁体，永磁体沿外壳轴向安装，强永磁体间使用导磁垫片，并置于铁芯中心位置，导磁垫片用于消除了磁铁间排斥力同时增加径向磁感应强度，采用高导磁材料制成。
作为优选，导电线圈中心平面与导磁垫片的中心为同一平面，导电线圈为多匝圆形。导电线圈高度小于永磁体组厚度的0.9倍；
作为优选，导电线圈数量大于1，导电线圈均绕制在线模上，且导电线圈之间设置有间隔。
作为优选，所述的下铁芯与上铁芯固定连接；
下铁芯与上铁芯由高导磁材料制成；采用上下磁芯结构，通过铁芯侧面留孔及上下铁芯相扣安装方式，绕组支架穿过下铁芯侧面孔。
上下铁芯可以采用不对称结构，绕组支架可以采用不同的形状及与外壳固定方式。铁芯的质量，也有益于提高运动块的质量，从而提高能源采集装置的输出功率密度。
所述上下铁芯中心都有螺丝孔，永磁体组通孔内放置一固定中轴，螺丝通过螺丝孔与固定中轴配合，使永磁体组处于中心位置，将上下铁芯和永磁体组紧固在一起，形成可轴向运动的质量块。采用了永磁体组、上下铁芯为主体的运动质量快，相较导电线圈做为运动质量块，可以提高能源采集装置的功率密度。
作为优选，所述的外壳，还包括：固定盖和上底盖、下底盖；
上侧的弹簧片内圈与固定盖底部固定连接，外圈120度角度间隔的三个对称卡座与上铁芯顶面固定连接；
下侧的弹簧片内圈与下底盖顶面固定连接，外圈120度角度间隔的三个对称卡座与下铁芯固定连接。
作为优选，所述固定盖与外壳上部固定连接；
固定盖上设置有环形凹槽和通孔，环形凹槽用于固定采集装置；
采集装置外层包裹有封装层；
封装层为塑料封装层或橡胶密封材料封装层；
导电线圈的线头穿过固定盖的通孔与采集装置电连接。
封装层保护采集装置免受不希望的环境影响。
作为优选，所述的弹簧片为对称的图形，弹性臂为多层结构。弹簧片安装时图形完全相对应，可以更好的限制弹簧片径向运动。
通过改变层数来改变弹性臂的长度，从而调整弹簧的弹性系数，不增加弹簧的面积，并可以有效避免弹簧片振动时发生平面扭转运动。同时该结构径向方向上具有高刚度，以便防止振动时弹簧片径向运动，使其只产生轴向运动。弹簧片可以采用弹簧钢一体成型制作，也可以由多层结构拼接而成，本发明采用弹簧钢一体成型的方式制作。所述弹簧片由弹性材料60Mn2SiA制成,当所述震动能源采集装置受到机械运动或震动时,所述弹性片随之震动。
所述线模，外壳，上底盖，下底盖，固定盖为非磁性材料制成，绕组支架，固定中轴，螺丝均为非磁性材料制成。
所述的采集装置，包含了整流电路、稳压电路及储能单元，把导电线圈感应产生的交流电，按具体应用中的负载需求，变换成具有一定电压的直流电，采集装置装置优选放在外壳内。其它常用的功能电路，如无线通讯、低功耗微处理器、传感器等，也可同时置于外壳内，从而形成高可靠性、能源自给的全封闭式物联网方案。对于部分需求，采集装置等电路装置可做为附加电路装置放置于外壳之外。
本发明把铁芯和磁铁设计为可震动部分而把线圈与绕组支架作为固定部件，铁芯和磁铁有利于提高震动部分的质量密度从而提高能源采集的输出功率，也利于通过铁芯调整质量来调整谐振频率而不需要调整其它部件的结构设计。谐振频率的调整也可结合弹簧片的图形设计来达到而不需改变其它部件的结构，利于结构件的规模化量产。而线圈与绕组支架作为固定部件，利于保护线圈和增加整体的可靠性。
本发明的有益效果是，本发明提供的震动能源采集装置，可以把周围环境中的振动能转化为电能。从而代替传统电池解决低功耗无线传感器供电问题，永久地为无线传感网络等应用中的传感器及电子器件和电路提供电力，进而减少环境污染。具有使用方便，无需维护等优点。
附图说明
图1是本专利的剖面构造图。
图2是弹簧片的结构图。
图3是铁芯和绕组支架组装侧视图。
图4是铁芯和绕组支架组装俯视图。
图5是采集装置的框架图。
图中1.上底盖，2.下底盖，3.弹簧片，4.外壳，5.上铁芯，6.下铁芯，7.磁铁，8.导磁垫片，9.绕组支架，10.线模，11.导电线圈,12.固定中轴，13.螺丝，14.环形凹槽，15.采集装置，16.固定盖，17.通孔。
具体实施方式
下面结合图1和实施例对本专利进一步说明。
在图1中，震动能源采集装置，包括震动机械能转化与采集两部分15装置。其中震动机械能的转化装置包括一个永磁体组、上下铁芯、固定中轴12、导电线圈11、弹簧片3及外壳4。永磁体组由两个磁铁7叠加而成，相邻磁铁面极性相同、之间设置导磁垫片8，永磁体组固定在上铁芯5和下铁芯6之间,用固定中轴12将永磁体组紧固。线模10外表面开有凹槽，凹槽内设置一组导电线圈11，线模10固定在绕组支架9上，外壳4上下分别设置固定盖16，上底盖1和下底盖2。采集装置15包含了整流电路、稳压电路及储能单元，采集装置15装置放入外壳4内。
如图1所示，所述磁铁7与导磁垫片8为中空圆柱形，有利于减少空气阻尼，导磁垫片8由导磁材料制成。
所述磁铁7材料为钕铁硼，磁铁7采用强磁性永磁体，以产生较大的磁场强度，至少两个圆柱形钕铁硼磁铁7同极性相对，沿轴向安装，并置于铁芯中心位置，磁铁7叠加数量和形状可以根据情况调整。
所述线模10设于铁芯与永磁体组之间，固定在绕组支架9上并与永磁体组和上铁芯5，下铁芯6有小距离的间隙，导电线圈11沿着径向围绕着永磁体组，正好处于导磁垫片8的外围，导电线圈11为多匝圆形，用于使导电线圈11切割磁感线产生电流，导电线圈11高度小于永磁体组厚度的0.9倍。永磁体组外可绕多组互有间隔的导电线圈11，数量与导磁垫片数量相对应，且线模形状、导电线圈缠绕方式及形状可做更改。
所述下铁芯6穿过绕组支架9与上铁芯5衔接。
所述绕组支架9与外壳4和下底盖2固定，其内壁与下铁芯6和弹簧片3有小距离的间隙。
所述外壳4由非磁性材料制成，以避免磁性材料对磁铁7和铁芯运动的影响，所述外壳4可为所述震动机械能转化与采集两部分装置提供结构支撑。
所述上铁芯5，下铁芯6，磁铁7，导磁垫片8，固定中轴12均设有中心通孔。
所述上铁芯5，下铁芯6中心都有螺丝孔，永磁体组通孔内放置一固定中轴12，固定中轴12由上至下分别穿过上磁铁7，导磁垫片8，下磁铁7,并用螺丝13通过螺丝孔与固定中轴12配合，使永磁体组处于中心位置，将上下铁芯和永磁体组紧固在一起，形成轴向上下运动的质量块。当所述震动能源采集装置受到机械运动或震动时，弹簧片3带动质量块在轴向相对于外壳4产生相对运动。
所述震动机械能转化与采集两部分15装置均放置在外壳4中。
所述上底盖1固定在外壳4上部，保护内部结构不受外部环境影响。同时为采集装置15提供固定作用。
所述下底盖2固定在外壳4下部，保护内部结构不受外部环境影响。同时为弹簧片3提供支撑和固定作用。
所述固定盖16固定在外壳4上部，保护内部结构不受外部环境影响。同时为弹簧片3提供支撑和固定作用。
所述两个弹簧片3安装时图形需完全相对应，可以更好的限制弹簧片3径向运动，上、下弹簧片3内圈分别与固定盖16和下底盖2固定，外圈120度角度间隔的三个对称卡座分别与上铁芯5、下铁芯6相扣固定。
所述上弹簧片与固定盖配合，固定盖16上半部分限定了一环形凹槽14，为采集装置15提供固定作用，其中采集装置15置于环形凹槽14内，环形凹槽的形状可根据采集部分形状做修改。采集装置15由塑料或橡胶密封材料封装在环形凹槽14内，该材料密封并保护采集装置15免受不希望的环境影响，例如湿度等。固定盖16靠近径向外侧有一通孔17，导电线圈11的线头穿过铁芯侧面孔沿着外壳4内壁穿过固定盖16的通孔17与采集装置15连接。
所述多匝导电线圈11，上铁芯5，下铁芯6，导磁垫片8和轴向磁化的圆环磁铁7构成电磁回路，在外界振动作用下弹簧片3带动磁铁7和导磁垫片8做轴向运动，并与导电线圈11做相对运动，导电线圈11切割磁力线产生电能为外电路供电。
如图2所示：所述的弹簧片3为对称的图形，弹性臂为四层结构，弹性臂采用多层结构，通过改变层数来改变弹性臂的长度，从而调整弹簧的弹性系数，不增加弹簧的面积，并可以有效避免弹簧片振动时发生平面扭转运动。同时该结构径向方向上具有高刚度，以便防止振动时弹簧片径向运动，使其只产生轴向运动。弹簧片可以采用弹簧钢一体成型制作，也可以由多层结构拼接而成，本发明采用弹簧钢一体成型的方式制作。弹簧片3用60Mn2SiA弹性材料制成，当所述震动能源采集装置受到机械运动或震动时，弹簧片3随之震动。
所述的震动能源采集装置受到外界振动，铁芯和磁铁7从中心平衡位置移开时，两个弹簧片3对铁芯有相同的作用力，两个弹簧片3具有相同的弹性系数。
如图3所示：所述的震动能源采集装置采用上下铁芯结构，通过磁芯侧面留孔及上下铁芯相扣安装方式，绕组支架9穿过下铁芯，使得导电线圈11置于铁芯和永磁铁组之间的空隙内，并同时能和外壳4固定。改变铁芯的质量，可以使谐振频率能够容易精确调谐到所需值。按照需求，上下铁芯可以采用不对称结构，绕组支架9可以采用不同的形状及与外壳4固定方式。铁芯的质量，也有益于提高运动块的质量，从而提高能源采集装置的输出功率密度。
如图5所示为震动能源采集装置的采集装置15的框架图，所述的采集装置15与导电线圈11连接，采集装置15包含了整流电路、稳压电路及储能单元，把导电线圈11感应产生的交流电，按具体应用中的负载需求，变换成具有一定电压的直流电，采集装置15装置优选放在外壳4内。其它常用的功能电路，如无线通讯、低功耗微处理器、传感器等，也可同时置于外壳4内，从而形成高可靠性、能源自给的全封闭式物联网方案。对于部分需求，采集装置15等电路装置可做为附加电路装置放置于外壳4之外。
所述线模10，外壳4，上底盖1，下底盖2，固定盖16为非磁性材料制成，绕组支架9，固定中轴12，螺丝13均为非磁性材料制成。
本发明把铁芯和磁铁设计为可震动部分而把线圈与绕组支架作为固定部件，铁芯和磁铁有利于提高震动部分的质量密度从而提高能源采集的输出功率，也利于通过铁芯调整质量来调整谐振频率而不需要调整其它部件的结构设计。谐振频率的调整也可结合弹簧片的图形设计来达到而不需改变其它部件的结构，利于结构件的规模化量产。而线圈与绕组支架作为固定部件，利于保护线圈和增加整体的可靠性。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.震动能源采集装置，包括：震动机械能转化装置和采集装置，其特征在于：其中震动机械能转化装置，包括：一个永磁体组、上铁芯、下铁芯、固定中轴、导电线圈、若干弹簧片、绕组支架及外壳；
永磁体组上部与上铁芯相连，并通过弹簧片与外壳上侧固定连接；
永磁体组底部与下铁芯相连，并通过弹簧片与外壳底部固定连接；
固定中轴，用于紧固永磁铁组和上铁芯、下铁芯；
绕组支架，支架的第一端设置在铁芯与永磁体组之间的间隙内，第二端与外壳固定连接，绕组支架穿过下铁芯；
线模，用于绕制导电线圈，设置在绕组支架的第一端上，与绕组支架固定连接；
导电线圈，沿着径向围绕着永磁体组，导电线圈绕设在线模凹槽内；
采集装置，包括：整流电路、稳压电路及储能单元；
采集装置设置在外壳内；
整流电路的输入端与导电线圈电连接，输出端与稳压电路的输入端电连接；
稳压电路的输出端与储能单元电连接，稳压电路的输出端进行电能输出；
所述的永磁体组由两个及以上轴向磁化的强永磁体沿轴向叠加而成，永磁体的相邻面的极性相同，永磁体之间设置有导磁垫片；
导磁垫片，用于消除了磁铁间排斥力同时增加径向磁感应强度，采用高导磁材料制成，导磁垫片的厚度为强永磁体厚度的0.4-0.7倍；
强永磁体与导磁垫片组成中空圆柱形；
所述的下铁芯与上铁芯固定连接；
下铁芯与上铁芯由高导磁材料制成；采用上下磁芯结构，通过铁芯侧面留孔及上下铁芯相扣安装方式，绕组支架穿过下铁芯侧面孔。
2.根据权利要求1所述的震动能源采集装置，其特征在于：所述的永磁体组，包括：至少两个圆柱形轴向磁化的强永磁体，永磁体沿外壳轴向安装，强永磁体间使用导磁垫片，并置于铁芯中心位置，导磁垫片用于消除了磁铁间排斥力同时增加径向磁感应强度，采用高导磁材料制成。
3.根据权利要求2所述的震动能源采集装置，其特征在于：导电线圈中心平面与导磁垫片的中心为同一平面，导电线圈为多匝圆形；
导电线圈高度小于永磁体组厚度的0.9倍。
4.根据权利要求1所述的震动能源采集装置，其特征在于：所述的外壳，还包括：固定盖和上底盖、下底盖；
上侧的弹簧片内圈与固定盖底部固定连接，外圈120度角度间隔的三个对称卡座与上铁芯顶面固定连接；
下侧的弹簧片内圈与下底盖顶面固定连接，外圈120度角度间隔的三个对称卡座与下铁芯固定连接。
5.根据权利要求4所述的震动能源采集装置，其特征在于：所述固定盖与外壳上部固定连接；
固定盖上设置有环形凹槽和通孔，环形凹槽用于固定采集装置；
采集装置外层包裹有封装层；
封装层为塑料封装层或橡胶密封材料封装层；
导电线圈的线头穿过固定盖的通孔与采集装置电连接。
6.根据权利要求1或4所述的震动能源采集装置，其特征在于：所述的弹簧片为对称的图形，弹性臂为多层结构；弹簧片安装时图形完全相对应。
7.根据权利要求3所述的震动能源采集装置，其特征在于：所述的导电线圈数量大于1，导电线圈均绕制在线模上，且导电线圈之间设置有间隔。
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