一种多方向的电磁式振动发电装置

技术领域

本发明涉及绿色能源和无线传感器网络领域，具体涉及一种基于受迫振动与电磁感应原理将环境中的振动能转换为电能的发电装置。

背景技术

伴随着物联网技术的发展，无线传感技术被广泛应用于智能农业、智能建筑、智慧电网和森林火灾防范监控等领域；用于监控的无线传感器节点具有数量多，位置分散等特点，传统供电方式如化学电池虽然比较成熟，但化学电池存在寿命短、难以在高温、低温和湿度较大的环境中稳定工作的问题，在使用过程中需要定期大规模的更换或充电，提升了人力成本，尤其是当无线传感器节点在高压塔顶等不易到达的位置，给无线传感器节点维护带来了困难；并且化学电池会对环境造成污染。低功耗的芯片、传感器和无线通信技术的发展，大大降低了监测与无线收发终端等电子设备的功耗，使采用微小型的发电装置替代化学电池给无线传感器节点供电成为可能；相较于传统化学电池，微小型发电装置具有稳定性好、无需维护、寿命长、无污染等优点，是当前无线传感器网络和微能源领域研究的热点。

振动能广泛存在于环境中，作为一种清洁能源被应用到能源采集中；振动能采集是指将振动能采集器与产生振动激励的结构进行刚性连接，其间可通过发电装置内部结构将振动放大，把振动传递到机电转换单元，从而实现振动能到电能的转换。现有的振动能采集器大多只能采集一个方向的振动激励，当环境中的振动能来自不同方向时，无法有效收集，影响了这些装置的应用。因此，研制在不同振动激励方向下都具有高效率的振动能采集发电装置具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种多方向的电磁式振动发电装置，该装置可将环境中不同方向的振动能转换为电能；并且该发电装置在户外环境可以稳定，长时间的工作，是低功耗无线传感器节点等的理想电源。

为完成上述发电装置，采用以下方案完成：

一种多方向的电磁式振动发电装置，其是由外壳、内框架、支承梁、夹具和机电转换单元构成。所述外壳的内部形成一个封闭且中空的空间，对位于其内部的内框架、支承梁、夹具和机电转换单元具有保护作用；支承梁的一端由夹具固定在外壳的内壁上，支承梁的另一端固定在位于外壳内部的内框架上，至少3根位于同一平面内的支承梁将内框架与外壳连接在一起。所述机电转换单元由至少3个沿着内框架周边布置的电磁式振动能采集器构成，每个电磁式振动能采集器由线圈框架、铜线圈、永磁体、弹性梁、夹具和螺丝螺母构成，铜线圈固定于线圈框架上，线圈框架固定于外壳的内壁上，永磁体固定在弹性梁的一端，弹性梁的另一端通过夹具和螺丝螺母固定于内框架上。内框架及固定于其上的机电转换单元的永磁体、弹性梁、夹具和螺丝螺母等构成的组合结构的重心不在支承梁所在的平面内。

当发电装置的外壳固定在振动的物体上时，如果振动方向平行于支承梁所在的平面，由于内框架及固定于其上的机电转换单元的永磁体、弹性梁、夹具和螺丝螺母等构成的组合结构的重心不在该平面内，组合结构受到的惯性力也不在该平面内，将对支承梁产生随时间而变化的力矩，导致组合结构及支承梁发生振动，组合结构的振动引起位于弹性梁自由端的永磁体相对于固定于外壳内壁的铜线圈发生相对运动，弹性梁对组合结构的振动具有放大作用，永磁体与铜线圈的相对运动进一步导致通过铜线圈的磁通量发生变化并产生感生电动势，利用该感生电动势即可为外部负载供电。

如果振动方向垂直于支承梁所在的平面，组合结构受到的惯性力将导致支承梁受到随时间而变化的力，导致组合结构及支承梁发生振动，组合结构的振动引起位于弹性梁自由端的永磁体相对于固定于外壳内壁的铜线圈发生相对运动，进一步导致通过铜线圈的磁通量发生变化并产生感生电动势，利用该感生电动势即可为外部负载供电。

因此，当振动方向平行于支承梁所在的平面，或者垂直于支承梁所在的平面时，该发电装置均可发电。

根据振动能发电装置的工作原理，发电装置在振动下的固有频率接近于支承梁和多个机电转换组合结构的固有频率。通过对发电装置进行设计及优化，可将发电装置的固有频率与机电转换单元的固有频率匹配，匹配后振动整体的运动与机电转换单元的运动产生共振，更大程度提高发电装置的转换效率。发电装置的固有频率可以通过调整支承梁的刚度和组合结构的质量来实现，机电转换单元的固有频率可以通过调整永磁体质量和弹性梁刚度来实现。

与已经公开的振动能发电装置相比，本发明有以下优点：

1、本发明提出的电磁式振动发电装置，通过外壳将内部机电转换单元与外界隔离开来，防止外部雨水、风沙等因素对机电单元的腐蚀与破坏；避免了昆虫、树叶等动植物进入发电装置，占据机电转化单元工作空间，影响可动部分的振动；外壳保证了内部结构的稳定工作，使发电装置的具有可靠性强，受外部环境影响小的优点；

2、本发明提出的电磁式振动发电装置，通过将内框架及固定于其上的机电转换单元的永磁体、弹性梁、夹具和螺丝螺母等构成的组合结构的重心不设置在支承梁所在的平面内，实现了对不同方向振动能的采集；

3.本发明提出的电磁式振动发电装置，通过在内框架上固定不同振动方向的弹性梁，进一步放大内框架在发生该方向的振动时永磁体相对于铜线圈的相对运动，进而提高发电装置的输出功率；

3、本发明提出的电磁式振动发电装置，采用电磁式原理将振动能转换为电能，具体应用永磁体和线圈的相对运动改变线圈的磁通量，线圈导线两端产生电势差。电磁式发电装置相对于压电式和摩擦发电式发电装置而言，长时间工作不会有明显的输出衰减，具有更好的长期稳定性；

4、本发明提出的电磁式振动发电装置，可通过改变可动部分的质量、支承梁的刚度、永磁体的质量和弹性梁的刚度来调整发电装置的频率，将发电装置的固有频率与产生激励的结构的振动频率匹配，可使发电装置与产生激励结构刚性连接时产生共振，有效提高能量利用率。

附图说明

图1是多方向电磁式振动发电装置的结构示意图；

图2是构成机电转换单元的电磁式振动能采集器的示意图；

图3是某个电磁式振动能采集器的结构示意图；

图4是外壳的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图配合具体实施方式对发电装置进一步详细说明。

如图1所示，展示了一种多方向的电磁式振动发电装置的整体结构。装置由外壳1，内框架2、支承梁3、夹具4和机电转换单元5；外壳1的内部形成一个封闭且中空的空间，对位于其内部的内框架2、支承梁3、夹具4和机电转换单元5具有保护作用；支承梁3的一端由夹具4固定在外壳1的内壁上，支承梁3的另一端固定在位于外壳1内部的内框架2上，至少3根(图1中为6根)支承梁3将内框架2与外壳1连接在一起。

如图2所示，机电转换单元5由6个沿着内框架4周边布置的电磁式振动能采集器6构成，每个电磁式振动能采集器6的结构如图3所示，由线圈框架601、铜线圈602、永磁体603、弹性梁604、夹具605和螺丝螺母606；线圈框架601用于将铜线圈602固定，如图4所示，外壳1内部的底部留有定位轨道101，便于线圈框架601定位与固定，保证在安装过程中的准确性，确保不会因为装配问题改变永磁体603与铜线圈602间的间距，导致电磁式振动能采集器6振动时可动部件产生相互接触并消耗能量；永磁体603固定在弹性梁604一端，弹性梁604另一端被夹具605和内框架2夹持，通过螺丝螺母606固定。其中线圈框架601、夹具606的材料为塑料，永磁体603可使用钕铁硼磁铁，铜线圈602可使用多匝铜线圈，弹性梁604可采用金属或塑料等弹性好的材料制作。

当发电装置的外壳1固定在振动的物体上时，如果振动方向平行于支承梁3所在的平面，由于内框架1及固定于其上的机电转换单元5的永磁体603、弹性梁604、夹具605和螺丝螺母606等构成的组合结构的重心不在该平面内，组合结构受到的惯性力也不在该平面内，将对支承梁3产生随时间而变化的力矩，导致组合结构及支承梁3发生振动，组合结构的振动引起位于弹性梁604自由端的永磁体603相对于固定于外壳1内壁的铜线圈602发生相对运动，弹性梁604对组合结构的振动具有放大作用，永磁体603与铜线圈602的相对运动进一步导致通过铜线圈602的磁通量发生变化并产生感生电动势，利用该感生电动势即可为外部负载供电。

如果振动方向垂直于支承梁3所在的平面，组合结构受到的惯性力将导致支承梁3受到随时间而变化的垂直于其所在平面的力，导致组合结构及支承梁3发生振动，组合结构的振动引起位于弹性梁604自由端的永磁体603相对于固定于外壳1内壁的铜线圈602发生相对运动，进一步导致通过铜线圈602的磁通量发生变化并产生感生电动势，利用该感生电动势即可为外部负载供电。

因此，该发电装置可以采集平行于支承梁3所在平面和垂直于支承梁3所在平面的振动能。

在对发电装置设计时，需要将发电装置的整体固有频率与电磁式振动能采集器6的固有频率匹配，达到发电装置工作在共振状态下时电磁式振动能采集器6也工作在共振状态下的目的，这一点对提高转换效率尤为重要；可通过仿真软件、理论计算及实验等手段达到频率匹配。同时，要考虑到来源振动激励频率对发电装置转化效率的影响，在来源激励频率与发电装置固有频率接近或相同时，发电装置才会工作在共振状态下，产生较大的电学输出，驱动后续无线传感器节点。

在对发电装置进行设计时，需要考虑采用尽量平整的外壳结构，避免积水或沉积灰尘。外壳表面可进行疏水防腐蚀材料的覆盖、驱虫药剂的涂抹，进一步提高装置在户外的实用性，延长使用寿命。