CN207853729U - 圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，包括悬臂梁和悬臂梁固定端，在悬臂梁固定端正中插入并牢固安装悬臂梁，悬臂梁截面呈圆形，内磁轭插入并牢固安装在悬臂梁固定端上，内磁轭中部为圆筒型，筒型一端插入悬臂梁固定端，另一端收口，收口处内径大于悬臂梁外径；靠近筒型收口处，筒型外壁有4个对称的圆形凸台，凸台上有安装轴；内磁轭上的4个对称的安装轴各缠绕了一个感应线圈，每个感应线圈的两引出端分别接能量收集电路；内磁轭上4个对称的安装轴轴肩安装永磁体，永磁体两端分别为永磁体的N极和S极；外磁轭一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端上，外磁轭处于内磁轭外围，外磁轭为软磁材料制成。本实用新型能量转换效率较高、振动阻尼较小。

Description

圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种利用悬臂梁振动收集能量的装置。

背景技术

物联网和无线传感网络中存在大量分布的物联网节点与无线传感节点，上述节点均需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，由此产生某些负面影响：第一，电池电量有限，限制节点使用寿命；第二，化学电池引起的二次污染，对自然环境与其中的生物构成威胁。针对上述问题，研究能量收集技术以利用可再生能源实现物联网节点的自供电意义重大。

在生活中可能遇到多种振动源，例如洗衣机振动主频率大于为110Hz，柴油机的典型振动频率为70Hz。许多学者致力于研究将振动能量收集转换为电能，根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式，其中静电式由于产生电量较低相关研究偏少。

自然环境中振动也无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等。通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：

1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。

2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。

上述2个问题，给自然环境次下能量收集带来一定难度，这是由于目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，同时自然环境振动的幅度远超过其运动部件的运动极限。于是，出现了悬臂梁振动能量收集结构，外界低频率、较大波幅的振动撞击悬臂梁，激励悬臂梁产生高频、较大振幅的自由振动的方式收集能量。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于小型电磁式振动能量收集装置的开发，于2007发表的论文Beeby S P,Torah R N,Tudor M J,Glynne-Jones P,O'Donnell T,Saha C R,Roy S.A microelectromagnetic generator for vibration energy harvesting[J].JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING,2007,17:1257-1265，引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的悬臂梁式振动能量收集装置，包含一条作为弹性元件的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达428mV，功率46μW。2015发表的论文Li,Ping；Gao,Shiqiao；Cai,Huatong.Modeling and analysis of hybrid piezoelectric and electromagneticenergy harvesting from random vibrations.Microsystem Technologies,2015,21(2):401-414，讨论了一种固支梁结构的振动能量收集装置，装置中具有电磁式和压电式两套独立的能量收集装置。

除上述两篇论文，具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置尚有大量公开的文献，但均有共同的缺陷：第一，未实现闭合磁路，即磁力线在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，必然降低磁感应强度，对提高发电功率极为不利，反之，如果实现闭合磁路则将大幅提高发电功率；第二，装置中磁路(包括线圈)中部分元件参与振动，部分不参与，造成元件之间的磁力阻碍振动的问题。

发明内容

为了克服已有具有悬臂梁和固支梁结构的电磁式振动能量收集装置的能量转换效率较低、振动阻尼较大的不足，本实用新型提供一种能量转换效率较高、振动阻尼较小的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，包括悬臂梁和悬臂梁固定端，所述悬臂梁固定端为非磁性材料制成，在悬臂梁固定端正中插入并牢固安装悬臂梁，所述悬臂梁为软磁性材料制成，所述悬臂梁截面呈圆形，内磁轭插入并牢固安装在所述悬臂梁固定端上，所述内磁轭为软磁材料制成，所述内磁轭中部为圆筒型，筒内径大于悬臂梁外径，筒型一端插入悬臂梁固定端，另一端收口，收口处内径略大于悬臂梁外径；靠近筒型收口处，筒型外壁有4个对称的圆形凸台，凸台上有安装轴；内磁轭上的4个对称的安装轴各缠绕了一个感应线圈，每个感应线圈的两引出端分别接能量收集电路；所述内磁轭上4个对称的安装轴轴肩安装永磁体，所述永磁体为呈圆柱形，两端分别为永磁体的N极和S极；外磁轭一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端上，所述外磁轭处于内磁轭外围，所述外磁轭为软磁材料制成。

进一步，所述外磁轭呈方筒形，所述外磁轭一端插入悬臂梁固定端，所述外磁轭另一端收口后有一圆孔，圆孔内径直径大于悬臂梁外径。

优选的，所述方筒形上有大块镂空。

再进一步，方筒内壁四周有4条浅凹槽，所述4个永磁体分别嵌入此4条凹槽中，与凹槽底部贴合。

所述安装轴上有轴肩，轴肩顶部设有浅凹陷，每个浅凹陷内嵌入所述永磁体。

所述悬臂梁尾部有配重。

本实用新型假设悬臂梁被外力激励后发生上下振动，分析如下三种情况：

第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，不失一般性地假设，4个永磁体N极贴合外磁轭内侧凹槽底部，该闭合磁路从4个永磁体N极，经外磁轭、气隙、悬臂梁、气隙、内磁轭、回到4个永磁体S极，这里有上、下、左、右4条并联的闭合磁路。该闭合磁路的存在是由于各处气隙宽度较小，保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中磁轭磁阻可忽略，磁阻几乎完全来自气隙，而气隙宽度较小磁阻也较小，此时各磁路磁感应强度处于中等水平。

第二，假设悬臂梁向上振动弯曲，此时上、下、左、右4条并联的闭合磁路中，上闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，两处气隙磁阻急剧下降，上闭合磁路中的总磁阻急剧下降，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过对应该磁路的线圈磁链同样也急剧上升。相应地，下闭合磁路中两处气隙宽度进一步扩张，两处气隙磁阻急剧上升，上闭合磁路中的总磁阻急剧上升，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过对应该磁路的线圈磁链急剧下降。左、右闭合磁路中的气隙宽度变化不明显，但此时由于上闭合磁路总磁阻显著下降，导致非该磁路的3个永磁体均有一部分磁力线通过上闭合磁路运行，也就是通过左、右闭合磁路的磁通也下降，只是没有下闭合磁路下降那么显著，因此左、右闭合磁路中的线圈磁链将明显下降。

第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上、下、左、右4条并联的闭合磁路中，下闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，上闭合磁路气隙扩张，左右闭合磁路气隙变化不明显。下闭合磁路总磁阻急剧下降，上闭合磁路总磁阻急剧上升，左右闭合磁路总磁阻变化不明显。下闭合磁路磁通急剧上升，其他3个闭合磁路中的永磁体均有一部分磁力线通过下闭合磁路运行，也就是通过左、右闭合磁路的磁通也下降，只是没有上闭合磁路下降那么显著。下闭合磁路的线圈磁链急剧上升，上闭合磁路的线圈磁链急剧下降，左右闭合磁路的线圈磁链也下降。

对比上述三种情况，悬臂梁上下振动过程中，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，依据电磁感应原理，将在线圈中产生较强感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，以达到振动能量收集的目的。同样方法可知,悬臂梁发生其他方向振动时，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，将在线圈中产生较强感应电动势。

本实用新型的有益效果主要表现在：第一，实现闭合磁路，杜绝大量漏磁，能量转换效率高；第二，利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，改变磁感应强度和线圈磁链，产生电动势，由于气隙宽度的微小改变能造成磁感应强度和线圈磁链的很大改变，产生的电动势将比较高，进一步调高了能量转换效率；第三，装置中闭合磁路位置上整体接近与悬臂梁的固定端，磁力力臂很短，力矩小，因此虽时而加强振动时而削弱振动，但一周期内对振动的干扰很小，同时由于对称布置，在平衡位置闭合磁路对悬臂梁的力和力矩为0，起振之初悬臂梁运动方向未改变前磁力的作用是有利扩大振动的，故利于起振；第四，可利用与悬臂梁垂直的任意方向的振动进行能量收集，是一种完全意义上的二维振动能量收集装置。

附图说明

图1为装置装配图。

图2为内磁轭、线圈和永磁体装置装配图。

图3为内磁轭图。

图4为外磁轭图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图4，一种圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，在外界激励下将产生有一定持续性的自由振动，并通过具有闭合磁路的电磁式装置进行能量收集为低功耗无线传感器节点、物联网节点供电。

下面来阐述其中的具体结构：

本装置有一悬臂梁固定端1，见图1，作为整个装置的安装位，为非磁性的材料制成，不导磁，要求坚固稳定性好。

进一步，在悬臂梁固定端正中插入并牢固安装的是悬臂梁2，见图1，为软磁性的材料制成，具有良好的导磁性能；同时，悬臂梁作为弹性元件，要求有较好柔度和韧性。悬臂梁采用直径较小的圆截面，说明该装置可接受与悬臂梁垂直的任意方向的振外界激励，产生同方向的振动进行能量收集。悬臂梁尾部有配重，增加悬臂尾部重量，利于起振和持续自由振动。

进一步，插入并牢固安装在上述悬臂梁固定端上、处于悬臂梁外围的是内磁轭3，见图1、图2和图3，内磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。内磁轭中部为圆筒型，筒内径大于悬臂梁外径见有较大空隙，筒型一端插入悬臂梁固定端，另一端收口，收口处内径仅稍大于悬臂梁外径。靠近筒型收口处，筒型外壁有4个对称的圆形凸台，凸台上有安装轴，安装轴上有轴肩，轴肩顶部有较浅的凹陷。

进一步，内磁轭上的4个对称的安装轴各缠绕了一个漆包铜线圈4，见图1和图2，上述每个线圈的两引出端分别接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。

进一步，内磁轭上4个对称的安装轴轴肩顶部凹陷内，通过粘接的方式安装了永磁体5，见图1和图2，为永磁材料成的，并要求有较好的刚性。永磁体为呈圆柱形，两端分别为永磁体的N极和S极。4个永磁体的N极同时与安装轴轴肩顶部凹陷接触，或者4个永磁体的S极同时与安装轴轴肩顶部凹陷接触。

进一步，一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端上、处于内磁轭外围的是外磁轭6，见图1和图4，外磁轭为软磁材料制成，具有良好的导磁性能。外磁轭总体呈方筒形，一端插入悬臂梁固定端，另一端收口后有一圆孔，圆孔内径直径略大于悬臂梁外径。方筒上有大块镂空，目的为减轻重量，也可以无镂空。方筒内壁四周有4条浅凹槽，上述4个永磁体分别嵌入此4条凹槽中，与凹槽底部贴合。

本实施例假设悬臂梁被外力激励后发生上下振动，分析如下三种情况：

第一，当悬臂梁处于平衡。装置中实现闭合磁路，不失一般性地假设，4个永磁体N极贴合外磁轭内侧凹槽底部，该闭合磁路从4个永磁体N极，经外磁轭、气隙、悬臂梁、气隙、内磁轭、回到4个永磁体S极，这里有上、下、左、右4条并联的闭合磁路。该闭合磁路的存在是由于各处气隙宽度较小，保证了漏磁少，能量转换效率高。由于磁路中磁轭磁阻可忽略，磁阻几乎完全来自气隙，而气隙宽度较小磁阻也较小，此时各磁路磁感应强度处于中等水平。

第二，假设悬臂梁向上振动弯曲，此时上、下、左、右4条并联的闭合磁路中，上闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，两处气隙磁阻急剧下降，上闭合磁路中的总磁阻急剧下降，磁路磁感应强度急剧上升，磁路磁通急剧上升，通过对应该磁路的线圈磁链同样也急剧上升。相应地，下闭合磁路中两处气隙宽度进一步扩张，两处气隙磁阻急剧上升，上闭合磁路中的总磁阻急剧上升，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过对应该磁路的线圈磁链急剧下降。左、右闭合磁路中的气隙宽度变化不明显，但此时由于上闭合磁路总磁阻显著下降，导致非该磁路的3个永磁体均有一部分磁力线通过上闭合磁路运行，也就是通过左、右闭合磁路的磁通也下降，只是没有下闭合磁路下降那么显著，因此左、右闭合磁路中的线圈磁链将明显下降。

第三，当悬臂梁向下振动弯曲，此时上、下、左、右4条并联的闭合磁路中，下闭合磁路中两处气隙宽度进一步收窄，上闭合磁路气隙扩张，左右闭合磁路气隙变化不明显。下闭合磁路总磁阻急剧下降，上闭合磁路总磁阻急剧上升，左右闭合磁路总磁阻变化不明显。下闭合磁路磁通急剧上升，其他3个闭合磁路中的永磁体均有一部分磁力线通过下闭合磁路运行，也就是通过左、右闭合磁路的磁通也下降，只是没有上闭合磁路下降那么显著。下闭合磁路的线圈磁链急剧上升，上闭合磁路的线圈磁链急剧下降，左右闭合磁路的线圈磁链也下降。

对比上述三种情况，悬臂梁上下振动过程中，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，依据电磁感应原理，将在线圈中产生较强感应电动势，并可在线圈的引出端获取此电动势，以达到振动能量收集的目的。同样方法可知,悬臂梁发生其他方向振动时，装置中的线圈的磁链随之方式急剧变化，将在线圈中产生较强感应电动势。

本实施例实现闭合磁路，杜绝大量漏磁，能量转换效率高；利用振动过程闭合磁路中气隙宽度的改变，改变磁感应强度和线圈磁链，产生电动势，由于气隙宽度的微小改变能造成磁感应强度和线圈磁链的很大改变，产生的电动势将比较高，进一步调高了能量转换效率；装置中闭合磁路位置上整体接近与悬臂梁的固定端，磁力力臂很短，力矩小，因此虽时而加强振动时而削弱振动，但一周期内对振动的干扰很小，同时由于对称布置，在平衡位置闭合磁路对悬臂梁的力和力矩为0，起振之初悬臂梁运动方向未改变前磁力的作用是有利扩大振动的，故利于起振；可利用与悬臂梁垂直的任意方向的振动进行能量收集，是一种完全意义上的二维振动能量收集装置。

Claims (6)

1.一种圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，包括悬臂梁和悬臂梁固定端，所述悬臂梁固定端为非磁性材料制成，在悬臂梁固定端正中插入并牢固安装悬臂梁，所述悬臂梁为软磁性材料制成，所述悬臂梁截面呈圆形，其特征在于：内磁轭插入并牢固安装在所述悬臂梁固定端上，所述内磁轭为软磁材料制成，所述内磁轭中部为圆筒型，筒内径大于悬臂梁外径，筒型一端插入悬臂梁固定端，另一端收口，收口处内径大于悬臂梁外径；靠近筒型收口处，筒型外壁有4个对称的圆形凸台，凸台上有安装轴；内磁轭上的4个对称的安装轴各缠绕了一个感应线圈，每个感应线圈的两引出端分别接能量收集电路；所述内磁轭上4个对称的安装轴轴肩安装永磁体，所述永磁体为呈圆柱形，两端分别为永磁体的N极和S极；外磁轭一端插入并牢固安装于悬臂梁固定端上，所述外磁轭处于内磁轭外围，所述外磁轭为软磁材料制成。

2.如权利要求1所述的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，其特征在于：所述外磁轭呈方筒形，所述外磁轭一端插入悬臂梁固定端，所述外磁轭另一端收口后有一圆孔，圆孔内径直径大于悬臂梁外径。

3.如权利要求2所述的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，其特征在于：所述方筒形上有大块镂空。

4.如权利要求2所述的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，其特征在于：方筒内壁四周有4条浅凹槽，上述4个永磁体分别嵌入此4条凹槽中，与凹槽底部贴合。

5.如权利要求1～3之一所述的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，其特征在于：所述安装轴上有轴肩，轴肩顶部设有浅凹陷，每个浅凹陷内嵌入所述永磁体。

6.如权利要求1～3之一所述的圆截面悬臂梁二维振动能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁尾部有配重。