[实用新型]闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置

说明书

一种闭合磁路悬臂梁振动能量收集装置，包括悬臂梁固定端和悬臂梁，悬臂梁固定端和悬臂梁为非磁性材料制成，悬臂梁一端插入并固定安装于悬臂梁固定端，在悬臂梁固定端上安装固定两个磁轭支架，磁轭支架远离固定端的一侧有斜面；磁轭支架为非磁性的材料制成，在两个磁轭支架之间安装磁轭，磁轭为软磁材料制成，磁轭安装位置上看，为左右对称形状且分别卡入两个磁轭支架中，磁轭中部有一安装轴；磁轭上的安装轴缠绕了一个感应线圈。感应线圈两引出端接能量收集电路；悬臂梁靠近悬臂梁固定端处安装永磁体，永磁体的N极和S极分别与磁轭下部形状部分正对，但不接触，在正对方向存在气隙。本实用新型能量转换效率较高、振动阻尼较小。

技术领域

本实用新型涉及电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种利用悬臂梁振动收集能量的装置。

背景技术

物联网和无线传感网络中存在大量分布的物联网节点与无线传感节点，上述节点均需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，由此产生某些负面影响：第一，电池电量有限，限制节点使用寿命；第二，化学电池引起的二次污染，对自然环境与其中的生物构成威胁。针对上述问题，研究能量收集技术以利用可再生能源实现物联网节点的自供电意义重大。

在生活中可能遇到多种振动源，例如洗衣机振动主频率大于为110Hz，柴油机的典型振动频率为70Hz。许多学者致力于研究将振动能量收集转换为电能，根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式，其中静电式由于产生电量较低相关研究偏少。

自然环境中振动也无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等。通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：

1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。

2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。

上述2个问题，给自然环境次下能量收集带来一定难度，这是由于目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，同时自然环境振动的幅度远超过其运动部件的运动极限。于是，出现了悬臂梁振动能量收集结构，外界低频率、较大波幅的振动撞击悬臂梁，激励悬臂梁产生高频、较大振幅的自由振动的方式收集能量。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于小型电磁式振动能量收集装置的开发，于2007发表的论文Beeby S P,Torah R N,Tudor M J,Glynne-Jones P,O'Donnell T,Saha C R,Roy S.A microelectromagnetic generator for vibration energy harvesting[J].JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING,2007,17:1257-1265，引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的悬臂梁式振动能量收集装置，包含一条作为弹性元件的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达428mV，功率46μW。2015发表的论文Li,Ping；Gao,Shiqiao；Cai,Huatong.Modeling and analysis of hybrid piezoelectric and electromagneticenergy harvesting from random vibrations.Microsystem Technologies,2015,21(2):401-414，讨论了一种固支梁结构的振动能量收集装置，装置中具有电磁式和压电式两套独立的能量收集装置。