[发明专利]一种二维电磁式动能采集器

说明书

本发明公开了一种二维电磁式动能采集器，其主要由外框架、内框架和滚珠构成。外框架由外壳、线圈固定板、线圈阵列构成。内框架由支架、磁铁固定板、磁铁阵列和弹簧构成。内框架通过滚珠与外框架隔离开。内框架四周有弹簧，弹簧与外框架之间有初始间距。多个金属线圈构成格子式线圈阵列，相邻线圈反向串联。多个磁铁构成格子式磁铁阵列，相邻磁铁磁极方向相反。每个线圈的平面尺寸与对应的磁铁相同。内框架上水平地固定了多层磁铁阵列，每两层磁铁阵列之间有一层固定于外框架上的线圈阵列。相邻两层磁铁阵列上位于同一位置处的磁铁南、北极相对，相邻两层线圈反向串联。本发明提出的采集器可采集水平面内任意方向的振动能，可应用于物联网等领域。

【技术领域】

本发明属于可再生能源和物联网领域，特别涉及到一种可以为无线传感器节点供电的新型电源。

【背景技术】

近年来，微电子技术、传感器技术和无线通讯技术取得了重要进展，促进了物联网技术的发展。物联网技术需要将成千上万个无线传感器节点组建成一个网络，这些无线传感器节点目前大多采用传统的化学电池供电，由于这些化学电池寿命短、体积大，对使用环境的温度、湿度要求高，而且还会污染环境，其应用受到极大的限制，因此基于化学电池的供电技术已经严重制约了物联网技术的快速发展与实际应用。针对无线传感器节点的用电需求，国内外对环境能量采集技术进行了深入研究，开发出了太阳能电池、热电池、动能采集器等新型微小型能源系统，这些微小型能源系统具有工作寿命长、免维护、体积小、易于与传感器集成等优点，有望替代电池为无线传感器节点供电，因此开展相关的研究具有重要的科学意义和实用价值。

环境中存在很多种运动，如高层建筑和桥梁的振动、树木的摆动、人体的运动、车的振动、船的晃动、空气的流动、水的流动等等，这些运动在自然界中广泛存在，开展将这些运动的动能高效地转换为电能的微小型动能采集器研究，已成为新型微小型能源系统研究的热点。为了将环境中的振动能转换为电能，国内外开发了很多的微小型振动能采集器，这些振动能采集器大多基于谐振机理，当环境振动的频率接近采集器的固有频率时，采集器可以产生较高的电学输出；但一旦环境振动的频率偏离采集器的固有频率，采集器的输出功率将急剧降低。当谐振式振动能采集器的尺寸时，其固有频率一般也会降低，因此微小型谐振式振动能采集器的固有频率一般比较高。目前报道的微小型振动能采集器大多只能高效地采集某一个特定方向的振动能，对其他方向的振动能采集效率很低。但是，自然环境(如人体、树木、高层建筑、大跨径桥梁、船等)中的振动一般频率较低，大多在30Hz以下，而且这些振动还存在多方向、宽带(频带宽大)、微弱等特点，因此常规的谐振式微小型振动能采集器对这些自然环境中存在的多方向、低频、宽带和微弱的振动能采集效率较低，其输出不能满足无线传感器节点的用电需求。研究环境中微弱的低频、宽带、多方向振动能的高效采集方法和相应的动能采集器新结构，对促进微小型动能采集器在物联网等领域的广泛应用具有十分重要的意义。

本发明提出一种二维电磁式动能采集器，其利用滚动摩擦力小的特点提高对微弱振动能的采集能力，采用格子式磁铁阵列和格子式金属线圈阵列将水平面内任意方向的相对运动转换为电能，利用滚动和碰撞实现低频、宽带振动能的采集，特别适合于采集自然环境中微弱的二维、宽带和低频振动能。该二维环境动能采集器具有工作寿命长、免维护、可靠性高、可微型化和无污染等诸多优点，在物联网等领域具有广阔的应用前景。

【发明内容】

本发明提出一种二维电磁式动能采集器，该采集器可以采集水平面内任意方向的微弱、低频、宽带振动能。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种二维电磁式动能采集器，其主要由外框架、内框架和滚珠构成。