CN113991964B - 一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于包括壳体、弹簧、绝缘支撑杆、磁铁、线圈、环形阻挡片、质量块、绳子；壳体上的表面突起有硬质碰撞杆；绝缘支撑杆的一端与磁铁固定连接，绝缘支撑杆的另一端与下底座固定连接；磁铁固定在距离壳体上底面一定距离的壳体内部；硬质碰撞杆远离所述壳体的一端插入所述阻挡片的内部；质量块的一端与阻挡片背向所述硬质碰撞杆的一端固定连接，质量块的另一端与绳子的一端固定连接，绳子的另一端与上底座固定连接；应用本技术方案可实现将环境中的低频、多方向振动能量转换为壳体的高频振动并通过线圈转换为电能，从而实现外界的振动机械能到电能的转换。

Description

一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量收集领域，具体是指一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置。

背景技术

随着无线通信、微机电系统和传感器技术的疾速发展，构建包含成千上万个节点的无线传感器网络已成为可能。当前的无线传感器节点大多仍然采用传统的电池供电，传统电池虽然使用便捷，但却存在需定期进行更换或充电，环境污染严重等诸多缺点，不能充分满足海量的无线传感节点对电源的要求。环境中蕴含着光、热、风和振动等形式的能量，其中振动能广泛存在，例如汽车发动机的振动、大桥的振动、人体的运动等等，收集环境振动能量为传感器节点供电成为解决传感器网络供电问题的可行方案。环境中的振动能有着低频、多方向的特点，如何将这些普遍存在的振动能转化为电能，从而代替传统电池为无线传感器节点供电已成为国内外研究的热点。

振动能采集器的基本原理是通过受迫振动将环境中的振动转化为器件的振动，进而再通过机电转换将器件的振动能转化为电能。其中电磁式振动能采集器是将外界的振动转化为器件内部磁铁与金属线圈的相对运动，通过电磁感应原理实现将环境中的振动能转化成电能。电磁式振动能采集器内阻小、输出电流大，尽管体积相对较大，但由于其长期稳定性好，实用性强，国内外对电磁式振动能采集器进行了系统研究。自然界中存在的各种振动大多具有低频、多方向和微弱的特征，目前，大部分的电磁式振动能量收集器只能收集单一方向上的振动能量，装置的工作频率较高，无法高效俘获环境中广泛存在的低频多方向振动能量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，能够高效且稳定俘获环境中的低频、多方向振动能量并转化电能，从而实现外界的振动机械能到电能的转换。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，包括壳体、弹簧、绝缘支撑杆、磁铁、线圈、环形阻挡片、质量块、绳子；

所述壳体上的表面突起有硬质碰撞杆；所述弹簧的一端与壳体的底部固定连接，所述弹簧的另一端与下底座固定连接；所述绝缘支撑杆的一端与磁铁固定连接，所述绝缘支撑杆的另一端与下底座固定连接；所述磁铁固定在距离壳体上底面一定距离的壳体内部；所述硬质碰撞杆远离所述壳体的一端插入所述阻挡片的内部；所述质量块的一端与阻挡片背向所述硬质碰撞杆的一端固定连接，所述质量块的另一端与绳子的一端固定连接，所述绳子的另一端与上底座固定连接；当受到外界低频、多方向振动激励时，悬挂的质量块会发生晃动从而带动与其固定连接的阻挡片与壳体上表面突起的硬质碰撞杆发生碰撞从而带动固定有线圈的壳体在弹簧的支撑下发生振动；振动的线圈与磁铁发生相对运动产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集；所述绳子可以通过调节长度降低装置的谐振频率，实现低频、多方向的振动能量收集。

在一较佳的实施例中，所述硬质碰撞杆所在轴线与所述壳体所在轴线共线。

在一较佳的实施例中，所述磁铁的几何中心与所述壳体所在轴线共线并与壳体的上底面以及壳体的内壁保持一定距离。

在一较佳的实施例中，所述线圈固定连接在壳体的上端面，所述线圈所在轴线与壳体所在轴线共线。

在一较佳的实施例中，所述阻挡片以质量块的下底面中心为圆心呈同心圆向外分布，所述阻挡片有多层同心圆。

在一较佳的实施例中，所述质量块垂直悬挂其所在轴线与壳体所在轴线共线。

在一较佳的实施例中，所述壳体具体为圆柱形壳体。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，该装置通过圆柱壳体、弹簧、绝缘支撑杆、磁铁、线圈、环形阻挡片、质量块、绳子的组合设计可以让整个装置在低频、多方向的振动激励环境下实现高效的俘能以及高效的能量转换。

1.本发明的优势之一是提出绳子加质量块俘能结构，利用该结构低频谐振、多方向振动的特点高效俘获环境中的低频多方向振动能量。

2.本发明的优势之二是采用环形阻挡片加硬质碰撞杆的能量传递结构，利用阻挡片与碰撞杆的接触、分离过程将质量块的低频运动转化为壳体的高频振动，实现低频能量收集，并采用多个阻挡片提高升频效果；利用环形结构实现多方向的能量传递。

附图说明

图1为本发明优选实施例中基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例中基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置壳体内部的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置的结构剖面示意图；

图4为本发明优选实施例中基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置阻挡片结构示意图；

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，参考图1至4，包括壳体3、弹簧2、绝缘支撑杆8、磁铁9、线圈10、环形阻挡片7、质量块4、绳子5；所述壳体3的上表面突起有硬质碰撞杆11；所述弹簧2的一端与壳体3 的底部固定连接，所述弹簧2的另一端与下底座1固定连接；所述绝缘支撑杆 8的一端与磁铁9固定连接，所述绝缘支撑杆8的另一端与下底座1固定连接；所述磁铁9固定在距离壳体3上底面一定距离的壳体3内部；所述硬质碰撞杆 11远离所述壳体3的一端插入所述阻挡片7的内部；所述质量块4的一端与阻挡片7背向所述硬质碰撞杆11的一端固定连接，所述质量块4的另一端与绳子5的一端固定连接，所述绳子5另一端与上底座6固定连接；当受到外界低频、多方向振动激励时，悬挂的质量块4会发生晃动从而带动与其固定连接的阻挡片7与壳体3上表面突起的硬质碰撞杆11发生碰撞从而带动固定有线圈 10的壳体3在弹簧2的支撑下发生振动；振动的线圈10与磁铁9发生相对运动产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集。

具体来说，所述壳体3的上表面突起有圆柱形硬质碰撞杆11，所述硬质碰撞杆11所在轴线与所述壳体3所在轴线共线，所述硬质碰撞杆11上表面超出环形阻挡片7下底面一定高度。

所述线圈10固定连接在壳体3的上端面，所述线圈10所在轴线与壳体3 所在轴线共线。所述阻挡片7以质量块4下底面中心为圆心呈同心圆向外分布，所述阻挡片7有多层同心圆，以实现碰撞的高效的能量传递。

此外所述绳子5一端与上底座6固定连接，所述绳子5另一端与质量块4 固定连接，所述质量块4垂直悬挂其所在轴线与壳体3所在轴线共线。

具体来说，所述绝缘支撑杆8一端与磁铁9固定连接，所述绝缘支撑杆8 另一端与下底座1固定连接。所述绝缘支撑杆8所在轴线与所述壳体3所在轴线共线，所述磁铁9固定在距离壳体上底面一定距离的壳体3内部。

所述硬质碰撞杆11发生碰撞后所述壳体3发生振动，在振动过程中所述壳体3的内部与所述磁铁9之间不发生接触，从而实现能量从质量块4的晃动到碰撞式能量转换装置运动的传递。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于包括壳体、弹簧、绝缘支撑杆、磁铁、线圈、环形阻挡片、质量块、绳子；

所述壳体上的表面突起有硬质碰撞杆；所述弹簧的一端与壳体的底部固定连接，所述弹簧的另一端与下底座固定连接；所述绝缘支撑杆的一端与磁铁固定连接，所述绝缘支撑杆的另一端与下底座固定连接；所述磁铁固定在距离壳体上底面一定距离的壳体内部；所述硬质碰撞杆远离所述壳体的一端插入所述阻挡片的内部；所述质量块的一端与阻挡片背向所述硬质碰撞杆的一端固定连接，所述质量块的另一端与绳子的一端固定连接，所述绳子的另一端与上底座固定连接；当受到外界低频、多方向振动激励时，悬挂的质量块会发生晃动从而带动与其固定连接的阻挡片与壳体上表面突起的硬质碰撞杆发生碰撞从而带动固定有线圈的壳体在弹簧的支撑下发生振动；振动的线圈与磁铁发生相对运动产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集；所述绳子可以通过调节长度降低装置的谐振频率，实现低频、多方向的振动能量收集。

2.根据权利要求1所述的一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述硬质碰撞杆所在轴线与所述壳体所在轴线共线。

3.根据权利要求2所述的一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁的几何中心与所述壳体所在轴线共线并与壳体的上底面以及壳体的内壁保持一定距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述线圈固定连接在壳体的上端面，所述线圈所在轴线与壳体所在轴线共线。

5.根据权利要求4所述的一种基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述阻挡片以质量块的下底面中心为圆心呈同心圆向外分布，所述阻挡片有多层同心圆。

6.根据权利要求5所述的基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述质量块垂直悬挂其所在轴线与壳体所在轴线共线。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的基于碰撞的低频、多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述壳体具体为圆柱形壳体。

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