CN114400859A - 一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁、运动磁铁、限位磁铁和若干线圈；中心固定磁铁为圆环状，运动磁铁为圆柱状或圆环状，运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，运动磁铁的运动轨道为环绕中心固定磁铁的环形轨道；限位磁铁固定于运动轨道的某一点，限位磁铁与运动磁铁之间为排斥力；若干线圈分布于运动轨道下方并对应运动磁铁的运动轨迹设置，可在运动磁铁的运动过程中产生感应电流，线圈外接电流引出端口；装置可水平放置，可竖直放置，调节限位磁铁和运动磁铁的大小和类型，可在不同情况下实现单稳态和双稳态特点，使系统具有不同的共振频带，以适应不同的环境振动频率、提高能量俘获效率。

Description

一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置
技术领域
本发明涉及电磁式振动能量收集技术领域，具体的说，涉及了一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置。
背景技术
近年来，随着微电子技术的迅速发展，大量的低功耗无线传感器被应用到设备状态监测领域，而在人们的日常生活中，手机、手表等便携式电子设备的应用也给人们的生活带来了极大的便利。
目前，这些低功耗的无线传感器和便携式电子设备多采用传统电池进行供电，需要定期更换或充电来维持设备的正常工作。振动能量俘获技术具有将环境振动和人体运动能量转换为电能的能力，利用这些能量为便携式电子设备供电受到了广泛关注。电磁式振动能量俘获装置结构简单、输出功率较大，成为了当前研究的热点问题。
传统电磁式振动能量俘获结构多基于线性振动机理设计，其只能在较窄的频带范围内产生较大的能量。为了克服这个缺点，大量具有宽频带响应的电磁式能量俘获结构被提出，其设计原理主要基于非线性机理与机械调节机制。将电磁式能量俘获结构与外接电路集成，能够构成一套完整的自供能体系，替代电池以为低功耗电子设备供电。
截止目前，已存在的电磁式振动能量俘获装置中多采用磁铁的直线运动形式，其占用空间较大，且不能根据具体的环境振动及人体运动特点调整其固有频率以满足现实需求。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种可实现单稳态和双稳态特点、具有不同共振频带、可适应不同环境振动频率、提高能量俘获效率的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁、运动磁铁、限位磁铁和若干线圈；
所述运动磁铁为圆柱状或圆环状，所述中心固定磁铁为圆环状，所述运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁的运动轨道为环绕所述中心固定磁铁的环形轨道，所述运动磁铁可围绕所述中心固定磁铁在运动轨道上转动；
所述限位磁铁固定于运动轨道的某一点，所述限位磁铁与运动磁铁之间为排斥力，若干所述线圈分布于运动轨道下方并对应所述运动磁铁的运动轨迹设置，以便运动磁铁在运动过程中在线圈内产生感应电流，所述线圈外接电流引出端口。
基上所述，所述限位磁铁为圆环状。
基上所述，所述中心固定磁铁、运动磁铁和限位磁铁的厚度相等。
基上所述，还包括基座，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁和限位磁铁设置固定结构，所述基座的底盘上对应线圈设置有固定框，所述固定框周围的空余位置设置有补充限位面结构，所述补充限位结构与固定框等高。
基上所述，所述基座的上方安装有顶盖，所述顶盖扣合在所述基座上，所述顶盖的内表面形成限制运动磁铁转动的顶面限位面。
基上所述，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁设置环形凸台，所述顶盖上对应环形凸台的内孔设置圆柱凸台。
基上所述，所述顶盖和基座上对应设置有定位孔。
基上所述，所述基座的侧壁上设置有孔，所述线圈的外接线通过孔穿出。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明设置的运动磁铁可绕中心固定磁铁滚动，在线圈内产生电能，达到收集能量的目的，与此同时，运动磁铁和限位磁铁之间为排斥力，限位磁铁可以限制运动磁铁的运动范围，起到拓宽响应带宽的目的，解决当前线性系统频带过窄的问题；具体表现为：水平放置时，结构表现出单稳态特点，装置竖直放置时，运动磁铁的重力和限位磁铁的排斥力相结合，使结构实现双稳态特点；单稳态和双稳态的状态都有，使得系统具有不同的共振频带，以适应不同的环境振动频率，且结构设计简单，拆卸、升级和更换调节都十分方便。
进一步的，为了方便控制，将运动轨迹设计为环形，三个磁铁也都设计为圆环形或圆柱形中的一种或组合，形状尺寸根据需要进行调整，使得单稳态和双稳态的位置计算更容易。
进一步的，运动轨道的形成依赖于中心固定磁铁、基座侧壁、顶盖和底面限位，形成封闭的环形腔室，限制运动磁铁在其中运动，防止运动磁铁发生非理想旋转运动导致系统失效。
进一步的，顶盖上的圆柱凸台配合基座上的环形凸台，用于将中心固定磁铁和限位磁铁固定，而顶盖和基座上的定位孔，则用于安装时的定位，基座侧壁上的孔用于线圈外接线缆的引出。
进一步的，将中心固定磁铁、限位磁铁和运动磁铁厚度设置的相同，使运动更容易控制，具备良好的可控性。
附图说明
图1是本发明实施例中磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置的原理图。
图3是本发明实施例中基座的结构示意图。
图4是本发明实施例中顶盖的结构示意图。
图5是本发明实施例中运动磁铁相对于中心固定磁铁的转角响应图。
图中：1.基座；1-1.环形凸台；1-2.基座定位孔；1-3.固定框；1-4.孔；1-5.补充限位面结构；2.中心固定磁铁；3.限位磁铁；4.运动磁铁；5.线圈；6.顶盖；6-1.圆柱凸台；6-2.顶盖定位孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-图4所示，一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁2、运动磁铁4、限位磁铁3、运动轨道、若干线圈5、基座1和顶盖6。
本实施例中，所述运动磁铁4为圆柱形，中心固定磁铁2为圆环状，所述运动磁铁4与中心固定磁铁2之间为吸引力，所述运动轨道为环绕所述中心固定磁铁2的环形轨道，所述运动磁铁4可围绕所述中心固定磁铁2在运动轨道上转动。
所述限位磁铁3为圆环状，所述限位磁铁3固定于所述运动轨道的某一点，所述中心固定磁铁2、运动磁铁4和限位磁铁3厚度相等。
所述限位磁铁3与运动磁铁4之间为排斥力，若干所述线圈5分布于所述运动轨道下方并对应所述运动磁铁4的运动轨迹设置，以便运动磁铁4在运动过程中，线圈5内产生感应电流，所述线圈5为铜芯漆包线，通过基座1侧壁上的孔1-4引出，外接电能收集模块。
所述基座1的底盘上对应中心固定磁铁2设置环形凸台1-1，所述基座1的底盘上对应线圈5设置有固定框1-3，所述固定框周围的空余位置设置有补充限位面结构1-5，所述补充限位结构与固定框等高，所述顶盖6上对应环形凸台1-1的内孔设置圆柱凸台6-1，可防止顶盖6与基座1相对旋转。
所述固定框1-3、线圈5和补充限位面结构1-5形成限制运动磁铁4转动的底面限位面；所述基座1的侧壁对应运动磁铁4的运动轨迹的部分为圆弧面，所述圆弧面构成运动轨道的外周面，所述中心固定磁铁2的周面构成运动轨道的内周面，所述基座1的上方安装有顶盖6，所述顶盖6扣合在所述基座1上，所述顶盖6的内表面形成限制运动磁铁4转动的顶面限位面，可防止运动磁铁4发生非理想旋转导致系统失效。
所述顶盖6上设置顶盖定位孔6-2，基座上设置基座定位孔1-2，顶盖6和基座1上的定位孔配合，将整个装置固定集成。
工作原理：
在进行振动能量俘获时，可对基座1进行多方向激励，运动磁铁4在激励下绕固定磁铁2滚动，进而产生变化的磁场，由此在线圈5内产生感应电流，通过将线圈5中的电流引出并采集的方法，可以得到线圈5的开路电压。
当装置水平摆放时，装置表现出单稳态特点。
当装置竖直放置，限位磁铁3位于中心固定磁铁2正下方时，运动磁铁4的重力作用和限位磁铁4产生的磁斥力平衡，调节固定磁铁3的大小和磁铁类型，可使结构实现单稳态和双稳态特点，使系统具有不同的共振频带，可适应不同的环境振动频率，提高能量俘获的效率。
如图5所示，扫描激励下的仿真输出：运动磁铁4为圆柱形磁铁，线圈5包含一个线圈，当对系统施加外部扫描激励时，图中显示了运动磁铁4相对于固定磁铁的转角响应，可以发现装置的响应频率低，响应频带较宽，具有优良的能量俘获性能。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：包括中心固定磁铁、运动磁铁、限位磁铁和若干线圈；
所述运动磁铁为圆柱状或圆环状，所述中心固定磁铁为圆环状，所述运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁的运动轨道为环绕所述中心固定磁铁的环形轨道，所述运动磁铁可围绕所述中心固定磁铁在运动轨道上转动；
所述限位磁铁固定于运动轨道的某一点，所述限位磁铁与运动磁铁之间为排斥力，若干所述线圈分布于运动轨道下方并对应所述运动磁铁的运动轨迹设置，以便运动磁铁在运动过程中在线圈内产生感应电流，所述线圈外接电流引出端口。
2.根据权利要求1所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述限位磁铁为圆环状。
3.根据权利要求2所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述中心固定磁铁、运动磁铁和限位磁铁的厚度相等。
4.根据权利要求2或3所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：包括基座，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁和限位磁铁设置固定结构，所述基座的底盘上对应线圈设置有固定框，固定框周围的空余位置设置有补充限位面结构，所述补充限位结构与固定框等高。
5.根据权利要求4所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座的上方安装有顶盖，所述顶盖扣合在所述基座上，所述顶盖的内表面形成限制运动磁铁转动的顶面限位面。
6.根据权利要求5所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：对应中心固定磁铁和限位磁铁设置的固定结构为环形凸台，所述顶盖上对应环形凸台的内孔设置圆柱凸台。
7.根据权利要求6所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述顶盖和基座上对应设置有定位孔。
8.根据权利要求7所述的磁旋摆式多稳态电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座的侧壁上设置有孔，所述线圈的外接线通过孔穿出。
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