双方向可调谐振动能量俘获装置

技术领域

本发明属于振动能量俘获技术领域，具体涉及一种双方向可调谐振动能量俘获装置。

背景技术

近年来，随着无线传感器技术、便携式设备等低功耗电子设备的迅速发展，无线传感器广泛应用于设备监控、人体监测、工业控制系统、航空航天等诸多领域，这样庞大的传感器网络对于供电的需求日渐增加。普通的化学电池无法保证长期持续地供电，而且会有环境污染，恶劣条件下更换成本大等弊端，因此通过收集环境中的能量为无线传感器供电成为了一个可行的解决方案。而在环境中存在的太阳能、风能、机械能等能量中，机械能普遍存在于各种机械装置中，且受环境的影响不大，从而成为了能量俘获的重要途径之一。

目前，振动能量俘获装置主要分为压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式，其中以压电式和电磁式的应用更为广泛。环境中的机械能分布范围广，激励的频率和方向多变，电能的转换效率低，输出功率小等成为了困扰研究人员的难题。此前，为了提高电能的转换率，提出了一种可调谐的振动能量俘获装置，且可以在保持较好线性度的情况下调整装置的固有频率，使得装置固有频率与外界频率保持一致，但是该装置只可以收集单一水平方向的激励输入。因此，为了更好地提高电能转换率，需要一种既可以调整装置固有频率，又可以收集多方向激励的振动能量俘获装置。

发明内容

该振动能量俘获装置为电磁式，利用了法拉第电磁感应定律，振动时磁体和线圈之间发生相对运动，切割磁感线，从而产生感应电动势。由两杆夹角呈90°的双摆摆杆和弹簧连接组成的电磁式振动能量俘获装置可以同时收集平面内相互垂直的两个方向振动，且可以通过调节弹簧弹性参数，改变系统固有频率。

本发明提出一种基于双摆摆杆的双方向可调谐振动能量俘获装置，利用摆式振动，收集平面内双方向振动激励，并具有固有频率可调谐的功能。

本发明提供的振动能量俘获装置，包括以下组成部分：

壳体、固定支柱、双摆摆杆、圆柱铰链、弹簧、永磁体、线圈、定子铁芯、摆杆滑槽、壳体滑槽、螺栓、弹簧导向筒。

所述的壳体为双方向可调谐振动能量俘获装置的基底，是装置与外界进行能量传递的媒介；

所述的固定支柱为两根前后放置，中间有空隙，一端固定于壳体，另一端通过圆柱铰链与双摆摆杆相连接；

所述的双摆摆杆，各杆交接处通过圆柱铰链与固定支柱相连，另一端与永磁体相连，使永磁体能够同双摆摆杆一起绕交接处摆动；

所述的弹簧分别安装在各杆的下侧和右侧并与壳体相连，通过调整弹簧在摆杆滑槽和壳体滑槽中的位置，改变弹簧到摆动中心的距离，从而调整系统的固有频率；

所述的永磁体产生固定磁场，与双摆摆杆一起绕各杆交接处摆动，使线圈相对永磁体做切割磁感线运动；

所述的线圈缠绕在定子铁芯外围，当永磁体摆动时，可在线圈中激发出感应电动势，形成感应电流；

所述的摆杆滑槽和壳体滑槽用来调节弹簧的位置，从而调节参数。

所述的弹簧导向筒一端与壳体滑槽相连，弹簧在其内部，辅助调节弹簧位置，保持弹簧的方向。

本发明的双方向可调谐振动能量俘获装置，相对现有技术具有如下优点和积极效果：

(1)本发明基于摆式振动原理，使得能量俘获装置可以收集双方向的环境激励，与现有的能量俘获装置相比，保留了固有频率可调谐的特点，同时增加了可收集的激励方向，换能结构的数量也有了增加，电能输出功率更大。

(2)本发明为电磁式振动能量俘获装置，具有装置体积小、使用寿命长、收集环境振动方向、频率范围广、输出效率大等优点。

(3)本发明适用于为包含有大量低功耗无线传感器和微机电系统的设备供电，比如工作地点位于偏僻地区、机械装置中的监测设备等，收集双方向环境激励，根据不同外界振动频率进行固有频率调节，发电性能好，因此使用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例中一种双方向可调谐振动能量俘获装置的结构图。

图中：

1.壳体；2.固定支柱；3.双摆摆杆；4.圆柱铰链；5.弹簧；6.永磁体；7.线圈；8.定子铁芯；9.摆杆滑槽；10.壳体滑槽；11.螺栓；12.弹簧导向筒。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的目的在于设计一种可以收集平面内多方向的振动能量，并且可以对不同振动频率的振动能量进行有效收集。

本发明提供的双方向可调谐振动能量俘获装置，如图1所示，包括：壳体(1)；固定支柱(2)；双摆摆杆(3)；圆柱铰链(4)；弹簧(5)；永磁体(6)；线圈(7)；定子铁芯(8)；摆杆滑槽(9)；壳体滑槽(10)；螺栓(11)；弹簧导向筒(12)。

壳体(1)是整个装置固定的一个基底，同时也与外界激励直接接触，壳体(1)内部下端固定有固定支柱(2)，固定支柱(2)一端固定于壳体(1)上，另一端通过圆柱铰链(4)与双摆摆杆(3)相连，固定支柱(2)由两根前后正对放置的支柱组成，中间相隔一定距离，使得双摆摆杆(3)能绕连接处摆动时不与固定支柱(2)碰撞，双摆摆杆(3)的其余两端与永磁体(6)相连，线圈(7)缠绕在定子铁芯(8)上，两个定子铁芯(8)固定在壳体(1)内部的上端和左端，双摆摆杆(3)两侧杆中部各安装一个弹簧(5)，弹簧(5)一端与摆杆滑槽(9)相连，弹簧(5)另一端与壳体滑槽(10)相连。弹簧(5)放置在弹簧导向筒(12)内部，弹簧导向筒(12)通过螺栓(11)固定在壳体(1)上。

采用本发明双方向可调谐振动能量俘获装置的工作过程如下：

装置在工作状态时，首先，外界水平激励作用于壳体(1)时，壳体(1)会产生水平方向位移，双摆摆杆(3)的竖直摆杆在激励作用下产生水平加速度，从而带动整个双摆摆杆(3)绕圆柱铰链(4)处来回摆动，从而与双摆摆杆(3)末端相连的永磁体(6)随之摆动，弹簧(5)通过弹性力，限制双摆摆杆(3)摆动范围，使永磁体(6)在定子铁芯(8)内部摆动，线圈(7)缠绕在定子铁芯(8)外围固定于壳体(1)上，永磁体(6)相对于线圈(7)做切割磁感线运动，从而使线圈(7)产生感应电流，达到振动能量转换为电能的目的。当外界竖直激励作用于壳体(1)时，壳体(1)会产生竖直方向的位移，双摆摆杆(3)的水平摆杆在激励作用下产生竖直加速度，从而带动整个双摆摆杆(3)摆动，继而将振动能量转换为电能。

本发明的双方向可调谐振动能量俘获装置，可以通过装置中的两侧杆呈90°的双摆摆杆(3)收集水平和竖直方向的振动能量，同时可以通过调整双摆摆杆(3)上弹簧(5)在摆杆滑槽(9)和壳体滑槽(10)的位置，使得弹簧(5)在双摆摆杆(3)和壳体(1)上移动，达到调节系统固有频率的目的，进而提高装置能量转换效率。整个装置的结构简单，能量收集效果好，输出电能功率密度大，使用方便。