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CN104811091A - 一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器 - Google Patents

一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器 Download PDF

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CN104811091A
CN104811091A CN201510255516.5A CN201510255516A CN104811091A CN 104811091 A CN104811091 A CN 104811091A CN 201510255516 A CN201510255516 A CN 201510255516A CN 104811091 A CN104811091 A CN 104811091A
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vibration energy
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邱景
刘鑫
文玉梅
李平
陈恒佳
徐晓玉
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Chongqing University
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Chongqing University
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Abstract

本发明公开了一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，包括支撑底座机构、振动梁机构、换能器和磁路机构，所述振动梁机构和磁路机构与支撑底座机构连接，所述换能器设置于振动梁机构的一端，其特征在于：所述磁路机构为环形海尔贝克阵列机构，所述换能器设置于磁路机构的磁场空间内；当能量采集器在感受到外部环境中的振动时，换能器在磁场空间内作往复运动，从而产生电输出。本发明中环形海尔贝克阵列的外部的磁场强度基本为零，阵列不会对振动能量采集器的周围环境中的电子元件产生电磁干扰，这在总体上减小了能量采集器的体积。

Description

一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器
技术领域
本发明属于新型环保能量采集技术领域，具体涉及一种基于环形海尔贝克阵列的多方向宽频振动能量采集器。
背景技术
物联网时代的来临，使得无线传感技术被广泛的应用到我们的日常生活中，尤其是环境监控、数据传输等领域中。与此同时，具有使用寿命短、不易更换、环境危害等缺点的传统电池，已经难以满足无线传感网络中的传感节点的供电要求，这在一定程度上也阻碍了无线传感网络的发展。因此，自供电技术应运而生。环境中的振动能广泛存在，与太阳能、风能、热能等可再生能源相比较，振动能能量密度高、受外界影响因素小。因此，振动能量采集器为无线传感网络供电提供了一个重要且可行的选择。
目前，大部分振动能量采集器都以悬臂梁或者弹簧作为振动部件，但是这种振动类型的缺点是只能响应一个方向的振动，当环境中的振动源的振动方向发生变化的时候，位于其他方向的振动能量就不能被振动能量采集器采集，在一定程度上减小了采集器的采集效率。同时，振动能量采集器的中磁铁可能会对外部电子元件产生电磁干扰，因此需要使电子元件和振动能量采集器之间保持一定的安全距离，这也增大了振动能量采集器的总体体积。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，包括支撑底座机构、振动梁机构、换能器和磁路机构，所述振动梁机构和磁路机构与支撑底座机构连接，所述换能器设置于振动梁机构的末端，所述磁路机构为环形海尔贝克阵列机构，所述换能器设置于磁路机构的磁场空间内；当能量采集器在感受到外部环境中的振动时，换能器在磁场空间内作往复运动，从而产生电输出。
优选的，所述振动梁可在同一平面内能够沿着任意方向振动。
优选的，所述支撑底座机构包括底座，所述底座上设置有滑轨，所述移动固定端与底座滑动连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:
1、本发明中环形海尔贝克阵列的外部的磁场强度基本为零，阵列不会对振动能量采集器的周围环境中的电子元件产生电磁干扰，这在总体上减小了能量采集器的体积。
2、本发明中振动能量采集器的振动梁为多方向振动，相对于单一方向的振动，能量采集效果高，适应环境能力强。
3、本发明中能量采集器的谐振频率可调，可调节振动梁的长度使得振动频率与外界振动的频率相接近，使其谐振达到最佳的输出效果。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明所涉及的环形海尔贝克阵列多方向低频振动能量采集器三维模型图；
图2为环形海尔贝克阵列结构示意图；
图3为环形海尔贝克阵列刨面结构示意图；
图4为振动梁机构模型图；
图5为换能器的一种结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，包括支撑底座机构、振动梁机构、换能器和磁路机构，所述振动梁机构和磁路机构与支撑底座机构连接，所述换能器设置于振动梁机构的末端，所述磁路机构为环形海尔贝克阵列机构，所述换能器3设置于磁路机构的磁场空间内；当能量采集器受到外部环境中的振动从而产生受迫振动，振动梁机构产生弹性振动，换能器在环形海尔贝克阵列内部与其发生相对位移，从而产生了使得换能器的外部磁场产生变化，换能器在磁场空间内作往复运动，从而产生电输出；在没有感受到外部环境中的振动时，所述换能器位于磁场空间的中心位置。
所述的环形海尔贝克阵列是一种特殊的磁体结构，通过若干块永磁铁的特殊排列成环形，每块永磁铁所产生磁场互相叠加或抵消，从而使得环形阵列内部的磁场增强，而阵列外部的磁场则基本为零。因为海尔贝克环形阵列的外部磁场基本为零，则阵列不会对外界电子元件产生干扰，从而从总体上减小了振动能量采集器的体积。
作为本实施例的一种结构，所述支撑底座机构包括底座1-1和移动固定端1-2，该底座上设置有滑轨1-3，所述移动固定端与底座滑动连接。通过调节移动固定端与环形海线尔贝克阵列间的距离，使得振动梁机构的振动频率与外界振动的频率相接近，使其谐振达到最佳的输出效果。在本实施例中，为了减少对环形海尔贝克阵列产生磁场的影响，底座、移动固定端和滑轨均为非导磁材料(本例为铝)。
作为本实施例的一种结构，所述振动梁机构包括振动梁2-1，该振动梁可在同一平面内能够沿着任意方向振动。本发明中振动能量采集器的振动梁为多方向振动，相对于单一方向的振动，能量采集效果高，适应环境能力强。
作为本实施例的一种结构，所述振动梁包括第一振动梁2-11和与第一振动梁固定连接的第二振动梁2-12，所述第二振动梁的横截面积小于第一振动梁的横截面。所述换能器设置在第一振动梁的末端。与此同时，所述移动固定端上设置有第一盲孔，第二振动梁部分伸入第一盲孔内并与该盲孔连接。
作为本实施例的另一种结构，所述振动梁机构还包括振动梁固定端2-2，所述支撑底座机构包括移动固定端，所述振动梁固定端固定在移动固定端上，所述振动梁固定端上设置有第二盲孔，所述振动梁包括第一振动梁和与第一振动梁连接的第二振动梁，所述第二振动梁的横截面积小于第一振动梁的横截面积，所述第二振动梁部分伸入第二盲孔内。
所述第一或/和第二振动梁为长方体状，也可以为圆柱状，其具体形状不作进一步限定。
作为本实施例的一种结构，所述环形海尔贝克阵列机构包括环形海尔贝克阵列4-1和阵列固定件4-2组成。阵列固定件通过螺丝和底座1-1固定，环形海尔贝克阵列4-1嵌入在阵列固定件4-2内部。
作为本实施例的一种结构，所述换能器3采用线圈，通过换能器3的内部的磁通量发生变化，由法拉第电磁感应定律可知，换能器3中产生感应电压，从而实现了机械振动能到电能的转换。
作为本实施例的另一种结构，所述换能器3采用磁电换能器，如图5所示，在压电材料层3-2的两侧分别复合磁致伸缩材料层3-1和3-3，形成“夹心结构”。换能器所处的磁场发生变化，会导致磁电换能器中的磁致伸缩材料层和发生相应形变，该形变传递到磁电换能器中的压电材料层，由于压电材料的压电效应产生电输出，最终实现机-磁-电的转换。
综上所述，本发明所涉及的振动能量采集器具有能量采集效率高、体积小、工作频率低等诸多优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，包括支撑底座机构、振动梁机构、换能器和磁路机构，所述振动梁机构和磁路机构分别与支撑底座机构连接，所述换能器设置于振动梁机构的末端，其特征在于：所述磁路机构为环形海尔贝克阵列机构，所述换能器设置于磁路机构的磁场空间内；当能量采集器在感受到外部环境中的振动时，换能器在磁场空间内作往复运动，从而产生电输出。
2.根据权利要求1所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：在没有感受到外部环境中的振动时，所述换能器位于磁场空间的中心位置。
3.根据权利要求1所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述振动梁机构包括振动梁，所述振动梁的一端与支撑底座机构固定连接，另一端与换能器连接。
4.根据权利要求3所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述振动梁可在同一平面内能够沿着任意方向振动。
5.根据权利要求4所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述振动梁包括第一振动梁和与第一振动梁连接的第二振动梁，所述第二振动梁的横截面积小于第一振动梁的横截面积；所述支撑底座机构包括移动固定端，所述移动固定端上设置有第一盲孔，所述第二振动梁部分伸入第一盲孔内。
6.根据权利要求4所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述振动梁机构还包括振动梁固定端，所述支撑底座机构包括移动固定端，所述振动梁固定端固定在移动固定端上，所述振动梁固定端上设置有第二盲孔，所述振动梁包括第一振动梁和与第一振动梁连接的第二振动梁，所述第二振动梁的横截面积小于第一振动梁的横截面积，所述第二振动梁部分伸入第二盲孔内。
7.根据权利要求5或6所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述支撑底座机构包括底座，所述底座上设置有滑轨，所述移动固定端与底座滑动连接。
8.根据权利要求1所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述换能器包括线圈筒。
9.根据权利要求1所述的基于环形海尔贝克阵列的多方向振动能量采集器，其特征在于：所述换能器包括压电材料层和复合于压电材料层两侧的磁致伸缩材料层。
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