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CN114400858A - 一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置 - Google Patents

一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置 Download PDF

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CN114400858A
CN114400858A CN202210054945.6A CN202210054945A CN114400858A CN 114400858 A CN114400858 A CN 114400858A CN 202210054945 A CN202210054945 A CN 202210054945A CN 114400858 A CN114400858 A CN 114400858A
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China
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magnet
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vibration energy
electromagnetic vibration
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CN202210054945.6A
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王伟
胡志鑫
卫洪涛
卫荣汉
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Zhengzhou University
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Zhengzhou University
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Abstract

本发明提供了一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁、运动磁铁、两块限位挡板和若干线圈；中心固定磁铁为圆环状，运动磁铁为圆柱状或圆环状，运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，运动磁铁的运动轨道为环绕中心固定磁铁的环形轨道；两块限位挡板固定于运动轨道的对称位置处，限位挡板用于限制运动磁铁的运动行程，线圈分布于运动轨道下方并对应运动磁铁的运动轨迹设置，可在运动磁铁的运动过程中产生感应电流，线圈外接电流引出端口。装置可水平放置，可竖直放置，在不同情况下可实现单稳态和双稳态特点，使系统具有不同的共振频带，以适应不同的环境振动频率、提高能量俘获效率。

Description

一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置
技术领域
本发明涉及电磁式振动能量收集技术领域，具体的说，涉及了一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置。
背景技术
近年来，大量的便携式和嵌入式电子设备被应用到人们的日常生活中，如手环、步态监测器、心脏起搏器、药泵等，这些设备能监测或维持人们的日常健康状态。然而，目前该类便携式和嵌入式电子设备仍采用化学电池或锂电池进行供电，需要定期更换或充电以维持正常工作。随着技术的日益成熟，从设备工作的周围环境中获取能量的振动能量俘获技术受到了人们的关注，其可将环境中的振动能量转换为电能以为低功耗设备供电。电磁式振动能量俘获结构简单、输出功率较大，在实际应用中更加受到关注。合理设计电磁式振动能量俘获装置，并将其能量转换模块和能量存储模块集成，可形成一套完整的供电系统，以为低功耗的电子设备进行供电，避免定期充电给人们带来的不便。
环境中的结构振动具有一定的随机性和多变性，而人体运动中产生的振动又具有低频率的特点，目前已存在的电磁振动能量俘获装置多具有固定的频率和较窄的响应频带，只能在较窄的频率范围内响应，不能根据具体的环境振动及人体运动特点调整其固有频率以满足现实需求。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种可实现单稳态和双稳态特点、具有不同共振频带、能够适应不同的环境振动频率、提高俘能效率的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁、运动磁铁、两块限位挡板和线圈；
所述中心固定磁铁为圆环状，所述运动磁铁为圆柱状或圆环状，所述运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁的运动轨道为环绕中心固定磁铁的环形轨道，所述运动磁铁可围绕所述中心固定磁铁在运动轨道上转动；
两块所述限位挡板固定于运动轨道的对称位置处用于限制运动磁铁的运动行程，所述线圈分布于运动轨道下方并对应运动磁铁的运动轨迹设置，以便运动磁铁在运动过程中在线圈内产生感应电流，所述线圈外接电流引出端口。
基上所述，所述中心固定磁铁、运动磁铁的厚度相等。
基上所述，还包括基座，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁设置固定结构，所述基座的底盘上对应线圈设置有固定框，所述固定框和线圈形成限制运动磁铁转动的底部限位面。
基上所述，所述基座的上方安装有顶盖，所述顶盖扣合在所述基座上，所述顶盖的内表面形成限制运动磁铁转动的顶部限位面。
基上所述，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁设置环形凸台，所述顶盖上对应环形凸台的内孔设置圆柱凸台。
基上所述，所述基座的侧壁上设置有孔，所述线圈的外接线通过孔穿出。
基上所述，所述限位挡板的位置可调。
基上所述，所述基座上对应运动磁铁的运动轨迹和固定框的空余位置设置补充限位面结构，所述补充限位面结构构成运动轨道的底部限位面的一部分。
基上所述，当所述运动磁铁与所述限位挡板发生碰撞时，两者之间为弹性力。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明设置的运动磁铁和绕中心固定磁铁滚动，在线圈内产生电能，达到收集能量的目的，与此同时，限位挡板限制运动磁铁的运动范围，两者之间的碰撞作用起到拓宽响应带宽的目的，解决当前线性系统频带过窄的问题；具体表现为：水平放置时，结构表现出单稳态特点，装置竖直放置时，两块限位挡板作用，使结构实现双稳态特点，单稳态和双稳态的状态都有，使得系统具有不同的共振频带，以适应不同的环境振动频率，且结构设计简单，拆卸、升级和更换调节都十分方便。
进一步的，为了方便控制，将运动轨迹设计为环形，磁铁也都设计为圆环形或圆柱形中的一种或组合，形状尺寸根据需要进行调整，限位挡板的位置可根据需要确定，使得单稳态和双稳态的位置计算更容易。
进一步的，运动轨道的形成依赖于中心固定磁铁、基座侧壁、顶盖和底部限位面，形成封闭的环形腔室，限制运动磁铁在其中运动，防止运动磁铁发生非理想旋转运动导致系统失效。
进一步的，顶盖上的定位凸台配合基座上的环形凸台，用于将中心固定磁铁固定，而顶盖和基座上的定位孔，则用于安装时的定位，基座侧壁上的孔用于线圈外接线缆的引出。
进一步的，将中心固定磁铁和运动磁铁的厚度设置的相同，使运动更容易控制，具备良好的可控性。
附图说明
图1是本发明实施例中磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中基座的结构示意图。
图3是本发明实施例中磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置的原理图。
图4是本发明实施例中顶盖的结构示意图。
图中：1.基座；1-1.环形凸台；1-2.固定框；1-3.孔；1-4.限位挡板；2.中心固定磁铁；3.运动磁铁；4.线圈；5.顶盖；5-1.定位凸台。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-图4所示，一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，包括中心固定磁铁2、运动磁铁3、两块限位挡板1-4、线圈4、基座1和顶盖5。
所述运动磁铁3为圆柱状，中心固定磁铁2为圆环状，所述运动磁铁3与中心固定磁铁2之间为吸引力，所述运动轨道为环绕所述中心固定磁铁2的环形轨道，所述运动磁铁3可围绕所述中心固定磁铁2在运动轨道上转动。
两块所述限位挡板1-4固定于所述运动轨道的对称位置处，限位挡板1-4用于限制运动磁铁3的运动行程，所述线圈4（本实施例中为一个）分布于所述运动轨道下方并对应所述运动磁铁3的运动轨迹设置，以便运动磁铁3在运动过程中在线圈4中产生感应电流，线圈4为铜芯漆包线，所述线圈4通过基座1侧壁上的孔1-3外接输出电路。
所述中心固定磁铁2、运动磁铁3的厚度相等，以便控制运动的规则性。
所述基座1的底盘上对应中心固定磁铁设置环形凸台1-1，所述基座1的底盘上对应线圈4设置有固定框1-2，固定框的空余位置设置补充限位面结构，补充限位面结构主要解决运动线圈的底部空余空间过大的问题，所述固定框1-2、线圈4和补充限位面形成限制运动磁铁3转动的底部限位面。
所述基座1的上方安装有顶盖5，所述顶盖5扣合在所述基座1上，所述顶盖5的内表面形成限制运动磁铁3转动的顶部限位面，所述顶盖5上对应环形凸台1-1的内孔设置定位凸台5-1。
工作原理：
在进行振动能量收集时，可对基座1进行多个方向的激励，运动磁铁3可绕中心固定磁铁2滚动，进而产生变化的磁场，进而可在线圈4内产生感应电流。
当装置水平放置时，系统表现出单稳态特征，运动磁铁3可绕中心固定磁铁2在两个限位挡板1-4范围内滚动，在线圈4内产生电能。
当装置竖直放置时，使运动磁铁3在中心固定磁铁2上方运动，由于重力作用运动磁铁3在左侧和右侧限位挡板1-4处有两个平衡位置，表现出双稳态特性，使系统具有较宽的响应频带。当运动磁铁3与限位挡板1-4发生碰撞时，两者之间为弹性力。
通过调节运动磁铁3的类型、大小、和质量，可使系统具有不同的响应频带，以适应不同频率的环境振动和低频率的人体运动，提高能量俘获的效率。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：包括中心固定磁铁、运动磁铁、两块限位挡板和线圈；
所述中心固定磁铁为圆环状，所述运动磁铁为圆柱状或圆环状，所述运动磁铁与中心固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁的运动轨道为环绕中心固定磁铁的环形轨道，所述运动磁铁可围绕所述中心固定磁铁在运动轨道上转动；
两块所述限位挡板固定于运动轨道的对称位置处用于限制运动磁铁的运动行程，所述线圈分布于运动轨道下方并对应运动磁铁的运动轨迹设置，以便运动磁铁在运动过程中在线圈内产生感应电流，所述线圈外接电流引出端口。
2.根据权利要求1所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述中心固定磁铁、运动磁铁的厚度相等。
3.根据权利要求1或2所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：还包括基座，所述基座的底盘上对应中心固定磁铁设置固定结构，所述基座的底盘上对应线圈设置有固定框，所述固定框和线圈形成限制运动磁铁转动的底部限位面。
4.根据权利要求3所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座的上方安装有顶盖，所述顶盖扣合在所述基座上，所述顶盖的内表面形成限制运动磁铁转动的顶部限位面。
5.根据权利要求4所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座的底盘上对应中心固定磁铁设置环形凸台，所述顶盖上对应环形凸台的内孔设置圆柱凸台。
6.根据权利要求5所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座的侧壁上设置有孔，所述线圈的外接线通过孔穿出。
7.根据权利要求6所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述限位挡板的位置可调。
8.根据权利要求7所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：所述基座上对应运动磁铁的运动轨迹和固定框的空余位置设置补充限位面结构，所述补充限位面结构构成运动轨道的底部限位面的一部分。
9.根据权利要求8所述的磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置，其特征在于：当所述运动磁铁与所述限位挡板发生碰撞时，两者之间为弹性力。
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