CN211908619U - 一种复合式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合式振动能量采集器，涉及微能源能量采集设备领域，包括悬浮构件两端分别设有相配合的悬浮圆柱磁铁，悬浮构件外套设中间框架，中间框架外套设两个配合的齿轮支架，齿轮支架顶端设有端盖，端盖内设有与悬浮圆柱磁铁配合的固定圆柱磁铁，固定圆柱磁铁与悬浮圆柱磁铁之间设有线圈骨架，线圈骨架上套设磁感应线圈；两个配合的齿轮支架上均匀安装有若干齿轮组，每个齿轮组的两个齿轮间横向设有推杆，推杆上设有分别与两个齿轮啮合的齿牙，推杆一端设有滑轮，滑轮与悬浮构件滑动连接，推杆另一端设有压力片，压力片外侧设有配合的压电片，推杆上靠近滑轮处套设复位弹簧。本实用新型实现多种能量采集方式集成，提高采集效率。

Description

一种复合式振动能量采集器

技术领域

本实用新型涉及微能源能量采集设备领域，具体涉及一种电磁-压电复合式振动能量采集器。

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。

目前振动能量采集器主要有压电式、电磁式和摩擦式。压电式能量采集器一般采用悬臂梁结构，在大振幅的振动激励下，悬臂会发生大幅度的变形并产生较大应力，在反复振动下会造成机械疲劳和损坏，导致采集器寿命缩短，无法满足长期工作的需要；电磁式能量采集器灵敏度低，需要较大的机械能输入，对于低频的微弱振动响应效果差，且输出功率低；摩擦式能量采集器的内阻较大，且需要为它设计专用的能量转换的匹配电路，这限制了它的实际应用。单一形式的振动能量采集方式存在着一定的局限性，采集能量的频带窄，不能达到对环境振动能量的高效采集，大量能量以形变、热量等形式耗散。为了解决环境振动能量的高效采集问题，将性能互补的能量采集单元集成在一个器件上是一种有效的解决途径。

发明内容

本实用新型针对上述问题，提供一种复合式振动能量采集器，包括端盖、固定圆柱磁铁、线圈骨架、磁感应线圈、齿轮支架、悬浮圆柱磁铁、悬浮构件、中间框架、滑轮、推杆、复位弹簧、压力片、压电片和齿轮；

所述悬浮构件两端分别设有相配合的悬浮圆柱磁铁，所述悬浮构件外套设有中间框架，所述中间框架外套设有两个配合的齿轮支架，所述齿轮支架顶端设有端盖，所述端盖内设有与悬浮圆柱磁铁配合的固定圆柱磁铁，所述固定圆柱磁铁与悬浮圆柱磁铁之间设有线圈骨架，所述线圈骨架上套设有磁感应线圈；

所述两个配合的齿轮支架上均匀安装有若干齿轮组，所述每个齿轮组的两个齿轮间横向设有推杆，所述推杆上设有分别与两个齿轮啮合的齿牙，所述推杆一端设有滑轮，所述滑轮与悬浮构件滑动连接，所述推杆贯穿中间框架与滑轮连接，所述推杆另一端设有压力片，所述压力片外侧设有配合的压电片，所述压电片与齿轮支架连接；

所述推杆上靠近滑轮处套设有复位弹簧。

进一步地，所述悬浮构件为中间小两头大结构，所述悬浮构件上设有与滑轮相匹配的梯形凹槽，所述梯形凹槽内滑动连接滑轮。

更进一步地，所述中间框架上设有与推杆相匹配的限位孔，所述限位孔内滑动连接推杆。

更进一步地，所述限位孔内设有限位块,所述推杆上设有与限位块配合的限位槽，所述限位槽内滑动连接限位块。

更进一步地，所述端盖上设有圆形凹槽内，所述圆形凹槽内固定连接固定圆柱磁铁。

更进一步地，所述齿轮支架上设有与压电片相匹配的方形凹槽，所述方形凹槽内固定连接压电片。

更进一步地，所述齿轮数量为三组，所述三组齿轮在两个配合齿轮支架上沿中心对称的水平三个方向设置安装。

更进一步地，所述悬浮圆柱磁铁与悬浮构件悬浮设置在中间框架内部。

更进一步地，两个悬浮圆柱磁铁相对的磁极相吸设置，所述固定圆柱磁铁与其相对最近设置的悬浮圆柱磁铁相斥设置。

本实用新型的优点：

本实用新型提供了一种复合式振动能量采集器，采用电磁-压电复合的能量采集方式，克服了单一微能量采集结构的缺点，提高微能源能量采集效率、提高器件的输出功率；采用电磁-压电复合的能量采集方式，通过采用磁悬浮结构，增大了采集器对环境能量采集的灵敏度；本实用新型采用了电磁-压电复合的振动能量采集方式，实现多种能量采集方式集成，它将大幅度提高采集效率，具有广阔的应用前景。

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是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的整体结构爆炸图；

图3是本实用新型的整体正视剖面结构示意图；

图4是本实用新型的压电单元示意图；

图5是本实用新型的推杆、压力片和压电片示意图；

图6是本实用新型的悬浮构件示意图；

图7是本实用新型的推杆示意图。

附图标记：

1为端盖、2为固定圆柱磁铁、3为线圈骨架、4为磁感应线圈、5为齿轮支架、6为悬浮圆柱磁铁、7为悬浮构件、8为中间框架、9为滑轮、10为推杆、11为复位弹簧、12为压力片、13为压电片、14为齿轮、15为齿牙、16为限位孔、17为限位槽、18为梯形凹槽。

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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参考图1至图7，一种复合式振动能量采集器，包括端盖1、固定圆柱磁铁2、线圈骨架3、磁感应线圈4、齿轮支架5、悬浮圆柱磁铁6、悬浮构件7、中间框架8、滑轮9、推杆10、复位弹簧11、压力片12、压电片13和齿轮14；

悬浮构件7为中间小两头大结构，即悬浮构件7水平截面的半径大小由中心向两侧逐渐递增，悬浮构件7上下两端对称设有相配合的悬浮圆柱磁铁6，悬浮圆柱磁铁6固定粘接于悬浮构件7的上下表面，悬浮构件7外套设有中间框架8，中间框架8为圆筒型结构，中间框架8外套设有两个配合的齿轮支架5，齿轮支架5固定在中间框架8上，中间框架8与齿轮支架5通过螺栓和螺母配合连接，上下两个端盖1固定在齿轮支架5上，齿轮支架5与端盖1通过螺栓和螺母配合连接，端盖1内设有与悬浮圆柱磁铁6配合的固定圆柱磁铁2，固定圆柱磁铁2与悬浮圆柱磁铁6之间设有线圈骨架3，线圈骨架3设置于端盖1内，磁感应线圈4缠绕在线圈骨架3上；

两个配合的齿轮支架5上均匀安装有若干齿轮组；

优选的，齿轮14数量为三组，三组齿轮14在两个配合齿轮支架5上沿中心对称的水平三个方向设置安装；

每个齿轮组的两个齿轮14间横向设有推杆10，推杆10上设有分别与两个齿轮14啮合的齿牙15，用于限制推杆10的移动范围，只能沿齿轮齿牙啮合横向移动，推杆10一端固定连接有滑轮9，悬浮构件7上设有与滑轮9相匹配的梯形凹槽18，即梯形凹槽18在悬浮构件7上沿中心对称的竖直三个方向设置，梯形凹槽18内滑动连接滑轮9，推杆10贯穿中间框架8与滑轮9固定连接，推杆10另一端固定连接有压力片12，压力片12外侧设有配合的压电片13，压电片13与齿轮支架5固定连接；

推杆10上靠近滑轮9处圆棒上套设有复位弹簧11。

本实用新型的一实施例中中间框架8上设有与推杆10相匹配的限位孔16，即中间框架8沿中心对称的水平三个方向设置限位孔16，限位孔16内滑动连接推杆10，限制推杆10的移动范围，只能沿限位孔16方向移动，限位孔16的直径小于复位弹簧11的直径，避免复位弹簧11窜出失去其功能。

本实用新型的一实施例中限位孔16内设有限位块,推杆10上设有与限位块配合的限位槽17，限位槽17内滑动连接限位块，限制推杆10的随意转动。

本实用新型的一实施例中端盖1上设有圆形凹槽内，固定圆柱磁铁2粘接固定于圆形凹槽内。

本实用新型的一实施例中齿轮支架5上设有与压电片13相匹配的方形凹槽，压电片13粘接固定在方形凹槽内。

本实用新型的一实施例中悬浮圆柱磁铁6与悬浮构件7悬浮设置在中间框架8内部。

本实用新型的一实施例中两个悬浮圆柱磁铁6相对的磁极相吸设置，固定圆柱磁铁2与其相对最近设置的悬浮圆柱磁铁6相斥设置。

本实用新型的工作原理：

滑轮9初始置于梯形凹槽18的中心处，当周围环境中存在振动时，振动作用在能量采集器的悬浮构件7上，即悬浮构件7将沿着竖直方向进行往复运动，导致固定于悬浮构件7上下表面的悬浮圆柱磁铁6和在悬浮构件7的梯形凹槽18内运动的推杆10发生同步运动，根据电磁感应定律，悬浮圆柱磁铁6和固定圆柱磁铁2之间的相对运动引起空间内磁场的变化，在变化磁场中的磁感应线圈4会产生感应电动势，根据压电效应，在梯形凹槽18内运动的推杆10，给予压电片13一个水平推力，从而实现振动能到电能的转换。

本实用新型的电磁单元的能量采集工作原理：

能量采集器外形为圆柱体，整体结构由中心上下对称，底面与振动物体直接粘贴连接，其中由悬浮构件7和两组独立的固定圆柱磁铁2、磁感应线圈4、悬浮圆柱磁铁6组成的电磁感应系统，根据磁性原理，在悬浮构件7上下表面粘接的两个悬浮圆柱磁铁6相对面磁性相吸设置，固定圆柱磁铁2与其相对最近设置的悬浮圆柱磁铁6相斥设置，实现了悬浮构件7与悬浮圆柱磁铁6的悬浮，根据电磁感应定律，当能量采集器的悬浮构件7随环境进行振动时，悬浮圆柱磁铁6和固定圆柱磁铁2之间的相对运动引起空间内磁场的变化，在变化磁场中通过对应的电磁感应系统产生电动势，将磁感应线圈4首尾相接进行串联，即可大幅加输出功率。

本实用新型的压电单元的能量采集工作原理：

压电单元由悬浮构件7和3组独立的滑轮9、推杆10、复位弹簧11、压力片12、压电片13组成的压电系统，悬浮构件7水平截面的半径大小由中心向两侧逐渐递增，当能量采集器的悬浮构件7随环境进行振动时，滑轮9先由中心平衡位置向下侧位置相对运动，滑轮9由截面半径小的地方向半径大的地方移动，同时复位弹簧11压缩，推杆10向外侧水平运动，并通过压力片12给予压电片13一个均匀的水平推力，压电片13呈弯曲状态，当滑轮9由下侧位置向中心平衡位置相对运动时，滑轮9由截面半径大的地方向半径小的地方移动，同时复位弹簧11伸长，推杆10向内侧水平运动，压电片13呈平直状态。当滑轮9由中心平衡位置向上侧位置相对运动和由上侧位置向中心平衡位置相对运动时，与之同理。

本实用新型提供了一种复合式振动能量采集器，采用电磁-压电复合的能量采集方式，克服了单一微能量采集结构的缺点，提高微能源能量采集效率、提高器件的输出功率；采用电磁-压电复合的能量采集方式，通过采用磁悬浮结构，增大了采集器对环境能量采集的灵敏度；本实用新型采用了电磁-压电复合的振动能量采集方式，实现多种能量采集方式集成，它将大幅度提高采集效率，具有广阔的应用前景。

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 (9)

1.一种复合式振动能量采集器，其特征在于，包括端盖（1）、固定圆柱磁铁（2）、线圈骨架（3）、磁感应线圈（4）、齿轮支架（5）、悬浮圆柱磁铁（6）、悬浮构件（7）、中间框架（8）、滑轮（9）、推杆（10）、复位弹簧（11）、压力片（12）、压电片（13）和齿轮（14）；

所述悬浮构件（7）两端分别设有相配合的悬浮圆柱磁铁（6），所述悬浮构件（7）外套设有中间框架（8），所述中间框架（8）外套设有两个配合的齿轮支架（5），所述齿轮支架（5）顶端设有端盖（1），所述端盖（1）内设有与悬浮圆柱磁铁（6）配合的固定圆柱磁铁（2），所述固定圆柱磁铁（2）与悬浮圆柱磁铁（6）之间设有线圈骨架（3），所述线圈骨架（3）上套设有磁感应线圈（4）；

所述两个配合的齿轮支架（5）上均匀安装有若干齿轮组，所述每个齿轮组的两个齿轮（14）间横向设有推杆（10），所述推杆（10）上设有分别与两个齿轮（14）啮合的齿牙（15），所述推杆（10）一端设有滑轮（9），所述滑轮（9）与悬浮构件（7）滑动连接，所述推杆（10）贯穿中间框架（8）与滑轮（9）连接，所述推杆（10）另一端设有压力片（12），所述压力片（12）外侧设有配合的压电片（13），所述压电片（13）与齿轮支架（5）连接；

所述推杆（10）上靠近滑轮（9）处套设有复位弹簧（11）。

2.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述悬浮构件（7）为中间小两头大结构，所述悬浮构件（7）上设有与滑轮（9）相匹配的梯形凹槽（18），所述梯形凹槽（18）内滑动连接滑轮（9）。

3.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述中间框架（8）上设有与推杆（10）相匹配的限位孔（16），所述限位孔（16）内滑动连接推杆（10）。

4.根据权利要求3所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述限位孔（16）内设有限位块,所述推杆（10）上设有与限位块配合的限位槽（17），所述限位槽（17）内滑动连接限位块。

5.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述端盖（1）上设有圆形凹槽内，所述圆形凹槽内固定连接固定圆柱磁铁（2）。

6.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述齿轮支架（5）上设有与压电片（13）相匹配的方形凹槽，所述方形凹槽内固定连接压电片（13）。

7.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述齿轮（14）数量为三组，所述三组齿轮（14）在两个配合齿轮支架（5）上沿中心对称的水平三个方向设置安装。

8.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，所述悬浮圆柱磁铁（6）与悬浮构件（7）悬浮设置在中间框架（8）内部。

9.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于，两个悬浮圆柱磁铁（6）相对的磁极相吸设置，所述固定圆柱磁铁（2）与其相对最近设置的悬浮圆柱磁铁（6）相斥设置。

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