[发明专利]一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器

权利要求书

1.一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，包括：平面二自由度非线性弹簧振子、支撑块以及平面线圈，所述支撑块布置在平面线圈与平面二自由度非线性弹簧振子之间；其中：

所述平面二自由度非线性弹簧振子包括：内圈振子与外圈振子；所述内圈振子包括内圈可动平台、内圈非线性弹簧和内圈永磁体质量块，所述内圈永磁体质量块设置于所述内圈可动平台处，并与内圈可动平台共同构成振动磁极，所述振动磁极能够沿上下方向运动，所述内圈可动平台通过所述内圈非线性弹簧固定在所述外圈振子的内缘；所述外圈振子包括外圈可动平台、外圈非线性弹簧和外圈质量块，所述外圈质量块设置于所述外圈可动平台处，所述外圈可动平台通过所述外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘；

所述内圈永磁体质量块设于内圈可动平台的中央位置，所述平面线圈位于所述内圈永磁体质量块的一侧；所述平面线圈、内圈永磁体质量块、内圈可动平台、外圈质量块、外圈可动平台和支撑块的中心轴线重合，通过所述内圈永磁体质量块与所述平面线圈的相对运动，实现振动能量转换为电能；

所述支撑块上开有通孔，所述通孔能够容纳所述内圈可动平台和所述外圈可动平台上下运动，所述平面线圈设置于所述支撑块的下表面；

所述平面线圈包括感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层；所述感应线圈绕组固定在绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。

2.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述平面线圈还包括如下任意一项或任意多项：

-所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成；

-所述感应线圈绕组的高度、线宽以及匝与匝之间的距离均在10～30微米范围内；

-所述绝缘层采用聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯材料制备得到。

3.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述内圈振子还包括如下任意一项或任意多项：

-所述内圈永磁体质量块为立方体结构，采用钕铁硼、钐钴材料制备得到；

-所述内圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的形状；

-所述内圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内；

-所述内圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内；

-所述内圈可动平台面积在1-4平方毫米范围内；

-所述内圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。

4.根据权利要求3所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述具有几何非线性特性的形状包括：蟹脚形、Z字形以及L字形。

5.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述外圈振子还包括如下任意一项或任意多项：

-所述外圈质量块采用SU-8环氧树脂、聚酰亚胺材料制备得到；

-所述外圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的固定导向结构；

-所述外圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内；

-所述外圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内；

-所述外圈可动平台面积在5-10平方毫米范围内；

-所述外圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述内圈非线性弹簧和外圈非线性弹簧分别为多个；其中，多个所述内圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述内圈可动平台的四周，并与所述外圈可动平台将所述内圈可动平台及所述内圈永磁体质量块悬空支承在所述平面线圈上方；多个所述外圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述外圈可动平台的四周，并与所述内圈可动平台将所述外圈可动平台及所述外圈质量块悬空支承在所述平面线圈上方。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，

-所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数保持不变，通过增大所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，并且使所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率的比值偏离1，实现扩大所述内圈振子两个模态的间距，增加器件工作带宽；相反的，通过减小所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，减小所述内圈振子两个模态的间距，进而实现所述内圈振子两个非线性模态的融合；或，

-所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率保持不变下，通过增大所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数，实现拓宽所述内圈振子的单个模态的工作频率范围，进而拓宽能量采集工作频率范围；或，

-通过改变所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的形状和/或尺寸，实现对所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的线性与非线性刚度的调整；通过改变所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的厚度，实现对所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块质量的调整；或，

-通过所述振动磁极在第一阶和第二阶的振荡实现所述平面线圈的磁通量大小变化，实现所述振荡磁极在所述内圈非线性弹簧和所述外圈非线性弹簧作用下的双宽频响应。