[发明专利]基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构

说明书

本发明提供了一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构，包括固定磁铁、两个限位磁铁、一个运动磁铁、一个调制磁铁和线圈；固定磁铁配置为长条状，固定磁铁的其中一个长边作为运动轨道；两个限位磁铁配置为分别设置于固定磁铁运动轨道的首尾两端；调制磁铁配置为设置在垂直于运动轨道的中点并与运动轨道有一段距离处；所有磁铁布置于一个平面内，运动磁铁配置为仅能够沿运动轨道运动，运动磁铁与固定磁铁之间为吸引力，运动磁铁和两个限位磁铁和调制磁铁之间均为排斥力；线圈配置为布置于运动轨道的一侧，运动磁铁的运动轨迹经过线圈一端以便能在线圈中产生感应电流。该能量采集结构表现出双稳态特性，具有响应频带宽、调节灵活、能量俘获效率高等优点。

技术领域

本发明涉及电磁式振动能量俘获技术领域，具体的说，涉及了一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构。

背景技术

随着低功耗高性能的微处理器和微传感技术的迅速发展，大量的无线传感器被应用到健康监测、设备状态监控以及战场势态感知等重要场合。这些设备能够实时地反馈监测对象的状态信息，有效地提高对紧急事件的应对速度。

目前，该类电子设备仍采用传统电池进行供电，由于其体积和容量有限，需要定期更换和充电来维持设备的稳定需求，且存在污染环境、回收困难等问题，特别是在一些极其恶劣的环境中，更换电池的成本反而比产品本身更高，甚至是很难完成，基于这一现状，目前发展出了能量俘获技术，捕获自然资源中存在的能量为设备供电。

作为最普遍存在的可再生能源之一，振动能量相对稳定且广泛存在于机械结构（汽车、高铁、飞机、机床等）、大型建筑（建筑物、桥梁等）和生物体内（脉搏、心跳、四肢摆动等），并且可通过其他绿色能源（风能、流体能量等）转换而成。目前，应用于振动能量俘获的方法主要包括静电式、电磁式和压电式等三种类型。其中，电磁式能量俘获结构内阻较小、输出电流较大，在某些特殊场合的应用受到了人们的重视。

电磁式振动能量俘获系统应用的核心问题是设计应用于环境振动的高效能量俘获结构，并将其与外接电路集成为低功耗电子设备供电。传统线性电磁振动能量俘获结构的响应频带较窄，且只能在系统共振频率附近产生较大的功率输出。

然而，环境振动的频率多分布在较宽的频带范围内且具有一定的随机性，线性系统在该种情况下使用时其能量俘获效率会受到很大的影响，成为了制约电磁振动能量俘获技术发展的瓶颈问题。

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，从而提供响应频带宽、调节灵活、能量俘获效率高的基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构。

具体的，该基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构利用一个长条状的永磁铁作为运动轨道，一个圆柱形的运动磁铁与其配合在运动轨道上滚动，再增加一对限位磁铁用于限制运动磁铁的振动范围，增加一个调制磁铁拓宽响应带宽，通过接收外界激励，运动磁铁产生位移，经过线圈时产生电能，在限位磁铁和固定磁铁的作用下实现非线性的双稳态特性，通过调整限位磁铁之间的间距，以及调制磁铁与固定磁铁的间距，可以调整该装置适应不同的环境振动频率，提高能量俘获效率，构建不同非线性回复力的双稳态系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构，包括固定磁铁、两个限位磁铁、一个运动磁铁、一个调制磁铁和线圈；

所述固定磁铁配置为长条状，所述固定磁铁的其中一个长边作为运动轨道；

两个限位磁铁配置为分别设置于固定磁铁运动轨道的首尾两端；

所述调制磁铁配置为设置在垂直于运动轨道的中点并与运动轨道有一段距离处；

所述磁铁均布置于一个平面内，所述运动磁铁配置为仅能够沿所述运动轨道运动，所述运动磁铁与固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁和两个限位磁铁以及调制磁铁之间均为排斥力；