CN114520579B - 一种差动电磁式振动俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动电磁式振动俘能装置，通过在底板上设置环形滑槽，由环形滑槽内的滚球感应所述底板受到的多方向振动后在环形滑槽内滚动，并通过滚球的滚动带动条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生变化，使得所述条形限位槽内的线圈和磁铁的相对位置也随之发生变化，在二者运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，线圈会切割磁感线产生电流，实现任意平面内多方向振动能到电能的转化；同时，每当条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生一定的变化，条形限位槽两端的线圈/磁铁就会同时朝向/背离条形限位槽中心移动，把任意平面内的多方向振动源通过滚球转化为对两对线圈和磁铁的同时冲击，从而将微能量放大，显著的提高了振动能量的采集效率。

Description

一种差动电磁式振动俘能装置

技术领域

本发明涉及微能量采集技术领域，尤其是涉及一种差动电磁式振动俘能装置。

背景技术

近年来，随着微电子技术、无线通信技术的快速发展，无线传感网络被应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化以及交通控制等领域，受到了人们的广泛关注。然而，传统基于化学电池的供电方式具有寿命短、更换难、成本高等局限性，供电问题已成为无线传感网络大规模应用的一大障碍。振动在环境中无处不在，采集环境中的振动能并将其转化为电能，从而代替传统电源为无线传感网络供电已成为该领域的研究热点。目前，环境振动能量的采集方式有静电式、电磁式、压电式等。

在实际应用中，环境振动源具有不稳定性、随机性，存在一定频带宽度的同时，还具有多方向性；当振动源的频率和振动方向与能量收集器装置不匹配时，能量收集器装置的输出能量会急剧减少，收集效率低，从而限制了能量收集器在复杂多变振动环境中的应用。同时，现有的振动能量采集装置大多存在能量转换效率低等问题，在多方向振动微能量的环境中无法有效的实现能量采集。

发明内容

本发明目的在于解决现有的振动能量采集装置无法高效地采集任意平面内的多方向振动微能量的问题，发明了一种可以将多方向振动微能量差动放大后进行采集的能量采集装置，通过本发明装置，可高效率地实现任意平面内的多方向振动微能量的采集。

本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种差动电磁式振动俘能装置，包括底板，所述底板的上表面平行设置有环形滑槽，条形限位槽和椭圆轨道，所述环形滑槽固定设置在所述底板上，所述环形滑槽内设有可滚动的滚球，所述条形限位槽和所述椭圆轨道其中一者固定设置，另一者活动设置，且所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者与所述滚球连接，所述条形限位槽内设有用于电磁式能量转化的线圈和磁铁，在所述线圈和所述磁铁之间处于最大相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈外，在所述线圈和所述磁铁之间处于最小相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈内，所述线圈和所述磁铁中一者数量为1，固定设置在所述条形限位槽的中部，另一者数量为2，分别活动设置在所述条形限位槽的两端，并活动连接在所述椭圆轨道上，所述线圈和所述磁铁中数量为2的一者在移动过程中不脱离所述条形限位槽，且其长度的2倍小于所述椭圆轨道短轴的长度，所述条形限位槽至少为一个，所述条形限位槽的中心和所述椭圆轨道的圆心均位于所述环形滑槽的中心轴上；

当所述底板受到多方向振动时，所述滚球在所述环形滑槽内滚动，带动所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者绕所述环形滑槽的中心轴转动，使得设置在所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁同时沿所述条形限位槽朝向/背离所述环形滑槽的中心轴移动，产生电能。

本发明提出的一种差动电磁式振动俘能装置，通过在底板上设置环形滑槽，由环形滑槽内的滚球感应所述底板受到的多方向振动后在环形滑槽内滚动，并通过滚球的滚动带动条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生变化，使得所述条形限位槽内的线圈和磁铁的相对位置也随之发生变化，在二者运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，线圈会切割磁感线产生电流，实现任意平面内多方向振动能到电能的转化；同时，每当条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生一定的变化，条形限位槽两端的线圈/磁铁就会同时朝向/背离条形限位槽中心移动，把任意平面内的多方向振动源通过滚球转化为对两对线圈和磁铁的同时冲击，从而将微能量放大，显著的提高了振动能量的采集效率。

值得一提的是，本发明中，考虑到实际使用中该差动电磁式振动俘能装置可单独使用，也可能被集成到其中装置上联合使用，关于所述条形限位槽和所述椭圆轨道的长短关系，以及所述环形滑槽、所述条形限位槽和所述椭圆轨道的上下位置关系均未做限定，只要满足当所述条形限位槽与所述椭圆轨道其中一者固定时，另一者可在所述滚球的带动下绕所述环形滑槽的中心轴任意转动，且所述条形限位槽内的线圈和磁铁能够相对运动而不脱离所述条形限位槽即可。关于所述滚球的材质，可以是金属，也可以是非金属，本发明不做限定。关于所述滚球与所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者连接，其连接方式可以为弹性连接，也可以为刚性连接，只要符合实际的使用需求即可，本发明不做限定。

在一较佳实施例中，所述条形限位槽设置为一个，或者所述条形限位槽设置为多个，多个所述条形限位槽不在同一平面，且多个所述条形限位槽之间固定连接。如此设置，所述条形限位槽数量可以为一个，也可以为多个，当设置为多个时，多个所述条形限位槽不在同一平面，且多个所述条形限位槽之间固定连接，因此，在滚球转动时，可同时带动更多的线圈同时切割磁感线，极大限度的提高了电磁能量转化效率。

在一较佳实施例中，所述条形限位槽和所述椭圆轨道均位于所述环形滑槽的上方或下方。如此设置，可确保所述条形限位槽和所述椭圆轨道的相对位置发生变化时，位于所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁可同时平稳无障碍的朝向/背离条形限位槽中心移动。

在一较佳实施例中，所述条形限位槽活动设置，所述椭圆轨道固定设置。其中，条形限位活动设置是指条形限位槽相对于所述底板呈可活动状态，椭圆轨道固定设置是指椭圆轨道相对于所述底板呈固定状态。根据该设计方案，所述条形限位槽活动设置，所述滚球与所述条形限位槽连接，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动所述条形限位槽绕所述环形滑槽的中心轴转动，而所述椭圆轨道固定不动，所述条形限位槽与所述椭圆轨道的相对位置发生变化，使得位于所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁同时朝向/背离条形限位槽中心运动，实现多方向振动微能量的差动采集。

进一步的，所述条形限位槽与所述底板轴连接，且连接轴与所述环形滑槽的中心轴重合，或者所述条形限位槽通过活动连接部连接在所述环形滑槽或所述底板上。由于所述条形限位槽与所述底板轴连接，且连接轴与所述环形滑槽的中心轴重合，而所述滚球与所述条形限位槽相连，当所述滚球感应所述底板的多方向振动而在所述环形滑槽内滚动时，带动所述条形限位槽绕所述环形滑槽的中心轴转动；或者所述条形限位槽通过设置在其底壁或外侧壁上的两个连接件活动连接在所述环形滑槽的内环侧壁或外环侧壁上，连接件可以为滑动件、滚动件等，从而使得所述条形限位槽在所述滚球的带动下可绕所述环形滑槽的中心轴转动，且不会影响所述滚球在所述环形滑槽内的滚动。

进一步的，所述条形限位槽设置为多个，且所述滚球与最邻近所述环形滑槽的一个所述条形限位槽相连。如此设置，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动多个所述条形限位槽同时绕所述环形滑槽的中心轴转动，使得位于各个所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁同时朝向/背离条形限位槽中心运动，大大提高了电磁能量转化效率。

在一较佳实施例中，所述条形限位槽固定设置，所述椭圆轨道活动设置。根据该设计方案，所述条形限位槽固定设置，所述椭圆轨道活动设置，所述滚球与所述椭圆轨道连接，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动所述椭圆轨道绕所述环形滑槽的中心轴转动，而所述条形限位槽固定不动，所述条形限位槽与所述椭圆轨道的相对位置发生变化，使得位于所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁同时朝向/背离条形限位槽中心运动，实现多方向振动微能量的差动采集。

进一步的，还包括环形槽，所述环形槽设置在所述底板上，且与所述环形滑槽同心，或者所述环形槽设置在所述环形滑槽上，所述椭圆轨道通过连接件活动设置在所述环形槽内。

相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

1，本发明优点之一是通过在底板上设置环形滑槽和滚球，将平面内的多方向振动转化为滚球在环形滑槽内的滚动，并通过条形限位槽和椭圆轨道的设置，将滚球在环形滑槽内的滚动转化为条形限位槽和椭圆轨道相对位置的变化，从而使得设置在条形限位槽内的线圈切割磁感线以将振动能转化为电能，该装置结构巧妙，设计简单。

2，本发明优点之二是通过在条形限位槽中部固定设置一个线圈，两端分别活动设置一个磁铁，或者，在条形限位槽中部固定设置一个磁铁，两端分别活动设置一个线圈，同时位于所述条形限位槽两端的线圈/磁铁活动连接在椭圆轨道上，当在滚球的带动下，条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生变化时，位于所述条形限位槽两端的线圈/磁铁同时朝向/背离条形限位槽的中心位置运动，从而实现多方向振动微能量的差动转化，高效率地实现了任意平面内的多方向振动微能量的采集。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是实施例1提供的差动电磁式振动俘能装置在磁铁和线圈处于最大相对距离时的示意图及截面图；

图2是实施例1提供的差动电磁式振动俘能装置在磁铁和线圈处于最小相对距离时的示意图及截面图；

图3是实施例2提供的差动电磁式振动俘能装置在磁铁和线圈处于最大相对距离时的示意图及截面图；

图4是实施例2提供的差动电磁式振动俘能装置在磁铁和线圈处于最小相对距离时的示意图及截面图；

附图标记：1-底板，2-环形滑槽，3-条形限位槽，4-椭圆轨道，5-线圈，6-磁铁，7-滚球。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

结合图1~2所示，本发明提供一种差动电磁式振动俘能装置，包括底板1、固定设置在底板1上表面的环形滑槽2，与底板1轴连接于环形滑槽2中心轴的条形限位槽3、固定设置在所述环形滑槽2的内环侧壁外侧的椭圆轨道4、设置在所述条形限位槽3中用于电磁式能量转化的一个磁铁6和两个线圈5、活动设置在所述环形滑槽2内并与所述条形限位槽3相连的滚球7。其中，所述磁铁6设置在所述条形限位槽3的中部，两个所述线圈5分别活动设置在条形限位槽3的两端，并与所述椭圆轨道4活动连接。所述条形限位槽3数量为1。

使用时，将所述底板1的下表面置于振动源上，当所述底板1受到多方向振动时，所述滚球7会在所述环形滑槽2内发生滚动，从而带动所述条形限位槽3绕所述环形滑槽2的中心轴旋转，使得所述条形限位槽3与所述椭圆轨道4的相对位置发生变化，位于所述条形限位槽3两端的线圈5随之同时朝向/远离所述磁铁6移动，实现多方向振动微能量的差动转化。

实施例2

本实施例与实施例3~4的结构基本相似，所不同的是，所述条形限位槽3固定设置在底板1上，所述椭圆轨道4活动设置在所述环形滑槽2内环侧壁的外侧，设置在所述条形限位槽3中用于电磁式能量转化的为一个线圈5和两个磁铁6，活动设置在所述环形滑槽2内的滚球7与所述椭圆轨道4相连。其中，所述线圈5设置在所述条形限位槽3的中部，两个所述磁铁6分别活动设置在条形限位槽3的两端，并与所述椭圆轨道4活动连接。所述条形限位槽3数量为1。

使用时，将所述底板1的下表面置于振动源上，当所述底板1受到多方向振动时，所述滚球7会在所述环形滑槽2内发生滚动，从而带动所述椭圆轨道4绕所述环形滑槽2的中心轴旋转，使得所述条形限位槽3与所述椭圆轨道4的相对位置发生变化，位于所述条形限位槽3两端的磁铁6随之同时朝向/远离所述线圈5移动，实现多方向振动微能量的差动转化。

实施例3

本实施例与实施例1的结构基本相似（未画图），所不同的是，所述条形限位槽3的数量为3，3个所述条形限位槽3位于不同平面，且相互固定设置，其中一个条形限位槽3中设置1个线圈5和2个磁铁6，另外两个条形限位槽3中设置2个线圈5和1个磁铁6，所述滚球7与距离其最近的一个条形限位槽3相连。

使用时，将所述底板1的下表面置于振动源上，当所述底板1受到多方向振动时，所述滚球7会在所述环形滑槽2内发生滚动，从而带动三个所述条形限位槽3绕所述环形滑槽2的中心轴旋转，使得各个所述条形限位槽3与所述椭圆轨道4的相对位置都发生变化，位于各个所述条形限位槽3两端的线圈5/磁铁6都随之同时朝向/远离所述磁铁6移动，在多方向振动微能量差动采集的基础上实现能量的多级放大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

包括底板，所述底板的上表面平行设置有环形滑槽，条形限位槽和椭圆轨道，所述环形滑槽固定设置在所述底板上，所述环形滑槽内设有可滚动的滚球，所述条形限位槽和所述椭圆轨道其中一者固定设置，另一者活动设置，且所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者与所述滚球连接，所述条形限位槽内设有用于电磁式能量转化的线圈和磁铁，在所述线圈和所述磁铁之间处于最大相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈外，在所述线圈和所述磁铁之间处于最小相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈内，所述线圈和所述磁铁中一者数量为1，固定设置在所述条形限位槽的中部，另一者数量为2，分别活动设置在所述条形限位槽的两端，并活动连接在所述椭圆轨道上，所述线圈和所述磁铁中数量为2的一者在移动过程中不脱离所述条形限位槽，且其长度的2倍小于所述椭圆轨道短轴的长度，所述条形限位槽至少为一个，所述条形限位槽的中心和所述椭圆轨道的圆心均位于所述环形滑槽的中心轴上；

当所述底板受到多方向振动时，所述滚球在所述环形滑槽内滚动，带动所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者绕所述环形滑槽的中心轴转动，使得设置在所述条形限位槽两端的所述线圈/磁铁同时沿所述条形限位槽朝向/背离所述环形滑槽的中心轴移动，产生电能。

2.根据权利要求1所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽设置为一个，或者所述条形限位槽设置为多个，多个所述条形限位槽不在同一平面，且多个所述条形限位槽之间固定连接。

3.根据权利要求1所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽和所述椭圆轨道均位于所述环形滑槽的上方或下方。

4.根据权利要求1~3任一项权利要求所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽活动设置，所述椭圆轨道固定设置。

5.根据权利要求4所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽与所述底板轴连接，且连接轴与所述椭圆轨道的中心轴重合，或者所述条形限位槽通过活动连接部连接在所述环形滑槽或所述底板上。

6.根据权利要求5所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽设置为多个，且所述滚球与最邻近所述环形滑槽的一个所述条形限位槽相连。

7.根据权利要求1~3任一项权利要求所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

所述条形限位槽固定设置，所述椭圆轨道活动设置。

8.根据权利要求7所述的差动电磁式振动俘能装置，其特征在于，

还包括环形槽，所述环形槽设置在所述底板上，且与所述环形滑槽同心，或者所述环形槽设置在所述环形滑槽上，所述椭圆轨道活动设置在所述环形槽内。