[發(fā)明專利]一種非諧振非接觸式的振動(dòng)能量采集器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010143838.8
• 申請(qǐng)日: 2010-04-09
• 公開（公告）號(hào): CN101814817A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李昕欣;楊永亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H02K35/02
• 分類號(hào): H02K35/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非諧振非接觸式的振動(dòng)能量采集器，本發(fā)明屬于微機(jī)械傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和微電子機(jī)械系統(tǒng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多無(wú)線傳感器等無(wú)線設(shè)備。如何有效地為它們供電已越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注。目前這些系統(tǒng)主要通過(guò)電池供電，但是，電池的壽命短，存儲(chǔ)能量有限，相對(duì)于欲供電器件而言，它們往往體積和質(zhì)量大，而且在某些應(yīng)用中更換電池成本很高，過(guò)程復(fù)雜。因此，如何解決無(wú)線設(shè)備的供電問題成為研究的熱點(diǎn)。

振動(dòng)能量采集器可以把環(huán)境中存在的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能。按照其工作方式，可以分成靜電式、壓電式和電磁式三種(S.P.Beeby，M.J.Tudor?and?N.M.White，“Energy?harvesting?vibration?sources?for?microsystems?applications，”Measurement?Science?and?Technology，vol.17，p.R175，2006.)。對(duì)于傳統(tǒng)的振動(dòng)能量采集器，只有外界環(huán)境的振動(dòng)頻率在能量采集器中振動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率附近時(shí)，振動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振，振幅較大，能量采集器才能產(chǎn)生較多的電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)頻率偏離能量采集器中振動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率時(shí)，其產(chǎn)生的電能相對(duì)很小。

2009年，密西根大學(xué)制作了非諧振的能量采集器(T.Galchev，H.Kim?andK.Najafi，“Non?resonant?bi-stable?frequency-increased?power?scavenger?fromlow-frequency?ambient?vibration，”Transducers?2009，Denver，CO，USA，June21-25，2009，p.632.)。通過(guò)磁吸引力，質(zhì)量塊交替與上下兩個(gè)彈簧上的磁鐵吸合和分開。質(zhì)量塊與彈簧上的磁鐵分開后彈簧自由振動(dòng)，通過(guò)電磁效應(yīng)發(fā)電。此能量采集器通過(guò)磁鐵的吸合和分開驅(qū)動(dòng)彈簧，不需要與外界振動(dòng)發(fā)生諧振，可以在較寬的外界頻率下工作，發(fā)電效率受外界振動(dòng)頻率影響很小。但是由于是用磁吸合力工作的，所以質(zhì)量塊上的磁鐵和振動(dòng)彈簧上的磁鐵的吸力不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法分開，器件不能工作，所以其發(fā)電的功率受到限制；而且由于每次質(zhì)量塊與彈簧吸合發(fā)生碰撞，其能量采集器的可靠性不能保證。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有能量采集器工作頻率受限，發(fā)電功率小，可靠性差的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非諧振非接觸式振動(dòng)能量采集器。所述的能量采集器由感應(yīng)外界振動(dòng)的質(zhì)量塊和產(chǎn)生電能的彈簧發(fā)電系統(tǒng)組成。質(zhì)量塊感應(yīng)外界振動(dòng)，通過(guò)質(zhì)量塊與彈簧發(fā)電系統(tǒng)之間的脈沖排斥力將能量傳遞給彈簧，驅(qū)動(dòng)彈簧振動(dòng)，通過(guò)電磁效應(yīng)產(chǎn)生電能。本發(fā)明所述的能量采集器通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁鐵與被動(dòng)磁鐵之間的脈沖排斥力驅(qū)動(dòng)彈簧系統(tǒng)振動(dòng)，所以不需要與外界環(huán)境發(fā)生振動(dòng)，可在寬的頻率范圍內(nèi)工作，發(fā)電功率受外界振動(dòng)頻率影響小，并且發(fā)電功率高，可靠性能好。所述的排斥力可以是磁排斥力，電排斥力等各種形式的排斥力，在本發(fā)明的原理說(shuō)明和實(shí)例中以磁排斥力為例說(shuō)明。

本發(fā)明所述的非諧振非接觸式的振動(dòng)能量采集器的基本原理如下：

如圖1所示，所述的能量采集器由感應(yīng)外界振動(dòng)的質(zhì)量塊和產(chǎn)生電能的彈簧發(fā)電系統(tǒng)組成。質(zhì)量塊上有驅(qū)動(dòng)磁鐵，當(dāng)器件隨著外界環(huán)境振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊由于受到慣性力的作用，會(huì)在如圖所示的方向運(yùn)動(dòng)。彈簧發(fā)電系統(tǒng)是由彈簧，位于彈簧上的被動(dòng)磁鐵和固定在被動(dòng)磁鐵周圍的線圈組成。彈簧和被動(dòng)磁鐵構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)，可按照自己的本征頻率振動(dòng)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁鐵和被動(dòng)磁鐵之間的脈沖磁排斥力，質(zhì)量塊將能量傳遞給彈簧發(fā)電系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)彈簧振動(dòng)，位于彈簧上的被動(dòng)磁鐵也隨著彈簧振動(dòng)，線圈中的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)電磁效應(yīng)，會(huì)在線圈內(nèi)激發(fā)感生電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電能。