CN209692570U - 一种多方向振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多方向振动能量采集器，包括磁铁支架、框架、大磁铁、磁感应线圈、小磁体、平面弹簧、立方体结构、圆形凹槽、正方形凹槽和小凹槽。本实用新型采用电磁式可调频多方向振动的能量采集方式，通过使用不同的平面弹簧实现了宽频带和低频的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高器件的输出功率。

Description

一种多方向振动能量采集器

技术领域

本实用新型涉及能量采集器，具体涉及一种多方向振动能量采集器。

背景技术

目前，随着信息化时代物联网技术发展，无线传感技术和无线定位技术在生产、生活中存在巨大的应用价值，目前，无线传感和无线定位装置主要依靠电池供电，而电池的寿命比较短，需要频繁更换或充电，尤其是在野外定位、自动化生产线等无人值守的应用场合，无法对电池进行频繁更换或充电，电能供给直接决定各类无线装置的有效工作寿命，成为限制无线传感和无线定位装置推广使用的技术瓶颈，如何实现无线传感和无线定位装置的自供电成为亟需解决的关键问题。自供电是将周围环境中的微能源采集并转化成电能，从而驱动电子设备运作的一种技术。环境中充满着各式各样的微能源，其中以振动形式表现出来的微能源最为广泛存在，研制能量采集器将环境中的振动能量进行采集并转换为电能输出是解决无线传感和无线定位装置自供电问题的理想方案。

利用电磁感应定律进行机械能和电能转换是一种经典的振动能量采集方式，传统的电磁感应振动能量采集器件主要在外界振动的作用下使金属线圈产生水平或垂直方向的切割磁感线运动，只能实现单一方向的振动能量采集，而且由于这类器件多采用悬臂梁、弹簧、磁悬浮等特殊结构实现振动的传递，导致它们能够采集的振动能量频率较高。然而，环境振动的频率普遍较低，且在不同的应用场合振动频率不同，一般小于100Hz，如汽车仪表盘振动频率13Hz，小汽车发动机振动频率37Hz，三轴机床振动频率70Hz；而且，在很多应用场合环境振动没有确定方向，如人奔跑时脚部和手部的振动方向是不确定，将振动方向不确定且振动频率不同的振动能量采集起来转换为电能，即在频率较低的环境中针对不同频率的应用场合实现可以调节采集频率的多方向振动能量采集，成为振动能量技术需解决的关键问题。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种多方向振动能量采集器。

本实用新型采用的技术方案是：一种多方向振动能量采集器，包括磁铁支架、框架、大磁铁、磁感应线圈、小磁铁、平面弹簧、立方体结构、圆形凹槽、正方形凹槽和小凹槽；所述磁铁支架和框架为一体化结构；所述磁铁支架包括立方体结构；所述立方体结构位于能量采集器的中心；所述立方体结构在除底面之外的其余五个面上分别有大磁铁；所述立方体结构上的大磁铁相对设有磁感应线圈、小磁铁和平面弹簧；所述小磁铁位于磁感应线圈的内环中心处；所述立方体结构在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的圆形凹槽；所述大磁铁固定在圆形凹槽内；所述磁感应线圈和小磁铁固定在平面弹簧的中央平板上，所述框架在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的正方形凹槽；所述平面弹簧固定在正方形凹槽内，所述正方形凹槽的四条边的中心处分别设有相同的小凹槽。

进一步地，所述大磁铁粘结于磁铁支架上的圆形凹槽内。

更进一步地，所述平面弹簧为螺旋形悬臂梁结构。

更进一步地，所述磁感应线圈和小磁铁粘结于平面弹簧的中央平板上，所述磁感应线圈的内径大于小磁铁的直径。

更进一步地，所述大磁铁和与其相对设置的小磁铁磁极相吸设置。

本实用新型的优点：

本实用新型的多方向振动能量采集器采用电磁式可调频多方向振动的能量采集方式，克服了单一方向上的振动能量采集；采用电磁式可调频多方向振动的能量采集方式，通过使用不同的平面弹簧实现了宽频带和低频的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高器件的输出功率，值得推广使用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的整体结构爆炸图；

图3是本实用新型实施例的框架和磁铁支架示意图；

图4是本实用新型实施例的1个螺旋型悬臂梁的平面弹簧示意图；

图5是本实用新型实施例的2个螺旋型悬臂梁的平面弹簧示意图；

图6是本实用新型实施例的4个螺旋型悬臂梁的平面弹簧示意图；

附图标记：

1为磁铁支架、2为框架、3为大磁铁、4为磁感应线圈、5为小磁铁；6为平面弹簧、7为立方体结构、8为圆形凹槽、9为正方形凹槽、10为小凹槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1至图6，如图1至图6所示，一种多方向振动能量采集器，包括磁铁支架1、框架2、大磁铁3、磁感应线圈4、小磁铁5、平面弹簧6、立方体结构7、圆形凹槽8、正方形凹槽9和小凹槽10；所述磁铁支架1和框架2为一体化结构；所述磁铁支架1包括立方体结构7；所述立方体结构7位于能量采集器的中心；所述立方体结构7在除底面之外的其余五个面上分别有大磁铁3；所述立方体结构7上的大磁铁3相对设有磁感应线圈4、小磁铁5和平面弹簧6；所述小磁铁5位于磁感应线圈4的内环中心处；所述立方体结构7在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的圆形凹槽8；所述大磁铁3固定在圆形凹槽8内；所述磁感应线圈4和小磁铁5固定在平面弹簧6的中央平板上，所述框架2在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的正方形凹槽9；所述平面弹簧6固定在正方形凹槽9内，所述正方形凹槽9的四条边的中心处分别设有相同的小凹槽10，便于平面弹簧6的拆卸；

当所述多方向振动能量采集器受到外界振动激励时，所述大磁铁3和小磁铁5之间的相对运动引起空间内磁场发生变化，磁感应线圈4在变化的磁场中产生电动势。

所述大磁铁3粘结于磁铁支架1上的圆形凹槽8内。

所述平面弹簧6为螺旋形悬臂梁结构。

所述磁感应线圈4和小磁铁5粘结于平面弹簧6的中央平板上，所述磁感应线圈4的内径大于小磁铁5的直径。

所述大磁铁3和与其相对设置的小磁铁5磁极相吸设置。

所述平面弹簧6的整体尺寸、螺旋型悬臂梁数量、宽度、厚度不受限制。

本实用新型的工作原理：

当周围环境中存在频率较低的振动时，振动作用在能量采集器框架2上，会引起与框架2连接的平面弹簧6产生受迫振动，即平面弹簧6将沿着自身在静止时所在平面的垂线方向进行往复运动，导致粘贴于平面弹簧6内侧的小磁铁5和固定于立方体结构7上的大磁铁3之间发生振幅随时间不断衰减的周期性的相对运动，大磁铁3和小磁铁5之间的相对运动引起空间内磁场发生变化，根据电磁感应定律，在变化磁场中的磁感应线圈4就会产生电动势，从而实现振动能量采集。

本实用新型的多方向振动能量采集工作原理：

能量采集器外形为正方体，其中1个面作为底座，与振动物体直接粘贴连接，其余5个面上设有5组独立的由大磁铁3、小磁铁5和磁感应线圈4（小磁铁5和磁感应线圈4粘贴于平面弹簧6内侧）组成的电磁感应系统。当能量采集器的框架2随环境进行振动方向随机或多方向的振动时，会导致框架2产生方向随机或多方向的位移，根据矢量分解的原理，框架2的位移在任意时刻总可以等效为任意三个确定方向上位移的矢量和，取能量采集器静止时各平面的垂线方向为上述三个确定方向，这样，框架2的位移就会引起能量采集器5个面上的平面弹簧6产生受迫振动，根据电磁感应定律，振动的平面弹簧6都将通过对应的电磁感应系统产生电动势，将5个平面上的磁感应线圈6首尾相接进行串联，即可大幅加输出功率。因此，无论环境振动的方向如何，总能实现振动方向随机或多方向振动能量的高效采集。

本实用新型的可调频振动能量采集工作原理：

根据共振效应，一个物理系统趋于共振频率时拥有从周围环境吸收更多能量的趋势。具体地，在能量采集器中，平面弹簧6在框架2的周期性振动作用下发生受迫振动，当环境振动的频率与平面弹簧6的固有振动频率接近或相等时，平面弹簧的受迫振动达极大值，即系统会出现共振现象，平面弹簧6会出现最大的振幅，大磁铁3和小磁铁5之间会出现最为剧烈的相对运动，从而导致最大的磁场变化，根据电磁感应定律，磁场变化越大，磁感应线圈4中产生的感应电动势越大，能量采集器的输出功率也越大。因此，采用固有振动频率与环境振动频率相近的平面弹簧6，将大幅度提高环境振动能量采集效率。

由于环境振动的频率普遍较低，通常小于100Hz，为了使平面弹簧6的固有振动频率满足小于100Hz这一条件，需要对平面弹簧6的结构进行设计，利用ANSYS对构成平面弹簧6的不同结构（直悬臂梁和中央平台组合、弯曲悬臂梁和中央平台组合、螺旋型悬臂梁和中央平台组合）进行固有振动频率的仿真分析，结果表明将螺旋型悬臂梁和中央平台组合的平面弹簧6，其固有振动频率分布于较低的频率区间；同时，悬臂梁数量越少，悬臂梁宽度、厚度越小，平面弹簧6整体尺寸越大，平面弹簧6的固有振动频率越小。因此，可以通过调节整体尺寸、螺旋型悬臂梁数量、宽度、厚度而进行平面弹簧6的固有振动频率调节。当平面弹簧6整体尺寸一定时，合理设计螺旋型悬臂梁的数量、宽度、厚度即可获得固有振动频率小于100Hz且均匀分布的多种平面弹簧6。针对不同的应用场合，为能量采集器更换具有与环境振动频率相近固有振动频率的平面弹簧6，便能通过调节采集频率在不同的环境振动中实现高效的振动能量采集。

如果环境振动频率未知或多种振动频率同时存在，也可在能量采集器上搭配使用不同的平面弹簧6，这样，能量采集器在不同的面上可同时拥有多种固有振动频率，形成对较宽频带的振动能量都拥有良好灵敏度的宽频带振动能量采集装置。

本实用新型的多方向振动能量采集器采用电磁式可调频多方向振动的能量采集方式，克服了单一方向上的振动能量采集；采用电磁式可调频多方向振动的能量采集方式，通过使用不同的平面弹簧实现了宽频带和低频的能量采集，有利于提高微能源能量采集效率、提高器件的输出功率，值得推广使用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多方向振动能量采集器，其特征在于，包括磁铁支架（1）、框架（2）、大磁铁（3）、磁感应线圈（4）、小磁铁（5）、平面弹簧（6）、立方体结构（7）、圆形凹槽（8）、正方形凹槽（9）和小凹槽（10）；所述磁铁支架（1）和框架（2）为一体化结构；所述磁铁支架（1）包括立方体结构（7）；所述立方体结构（7）位于能量采集器的中心；所述立方体结构（7）在除底面之外的其余五个面上分别有大磁铁（3）；所述立方体结构（7）上的大磁铁（3）相对设有磁感应线圈（4）、小磁铁（5）和平面弹簧（6）；所述小磁铁（5）位于磁感应线圈（4）的内环中心处；所述立方体结构（7）在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的圆形凹槽（8）；所述大磁铁（3）固定在圆形凹槽（8）内；所述磁感应线圈（4）和小磁铁（5）固定在平面弹簧（6）的中央平板上，所述框架（2）在除底面之外的其余五个面的中心处均设有相同的正方形凹槽（9）；所述平面弹簧（6）固定在正方形凹槽（9）内，所述正方形凹槽（9）的四条边的中心处分别设有相同的小凹槽（10）。

2.根据权利要求1所述的多方向振动能量采集器，其特征在于，所述大磁铁（3）粘结于磁铁支架（1）上的圆形凹槽（8）内。

3.根据权利要求1所述的多方向振动能量采集器，其特征在于，所述平面弹簧（6）为螺旋形悬臂梁结构。

4.根据权利要求1所述的多方向振动能量采集器，其特征在于，所述磁感应线圈（4）和小磁铁（5）粘结于平面弹簧（6）的中央平板上，所述磁感应线圈（4）的内径大于小磁铁（5）的直径。

5.根据权利要求1-4任一所述的多方向振动能量采集器，其特征在于，所述大磁铁（3）和与其相对设置的小磁铁（5）磁极相吸设置。