[發明專利]圓截面懸臂梁二維振動能量收集裝置

在審

• 申請號: 201810160498.6
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN108322008A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 張端;孫瑩
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H02K35/02
• 分類號: H02K35/02
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種圓截面懸臂梁二維振動能量收集裝置，包括懸臂梁和懸臂梁固定端，在懸臂梁固定端正中插入并牢固安裝懸臂梁，懸臂梁截面呈圓形，內磁軛插入并牢固安裝在懸臂梁固定端上，內磁軛中部為圓筒型，筒型一端插入懸臂梁固定端，另一端收口，收口處內徑大于懸臂梁外徑；靠近筒型收口處，筒型外壁有4個對稱的圓形凸臺，凸臺上有安裝軸；內磁軛上的4個對稱的安裝軸各纏繞了一個感應線圈，每個感應線圈的兩引出端分別接能量收集電路；內磁軛上4個對稱的安裝軸軸肩安裝永磁體，永磁體兩端分別為永磁體的N極和S極；外磁軛一端插入并牢固安裝于懸臂梁固定端上，外磁軛處于內磁軛外圍，外磁軛為軟磁材料制成。本發明能量轉換效率較高、振動阻尼較小。

技術領域

本發明涉及電磁式能量收集裝置領域，尤其涉及一種利用懸臂梁振動收集能量的裝置。

背景技術

物聯網和無線傳感網絡中存在大量分布的物聯網節點與無線傳感節點，上述節點均需要有各自獨立的供電裝置，目前使用較多是蓄電池，由此產生某些負面影響：第一，電池電量有限，限制節點使用壽命；第二，化學電池引起的二次污染，對自然環境與其中的生物構成威脅。針對上述問題，研究能量收集技術以利用可再生能源實現物聯網節點的自供電意義重大。

在生活中可能遇到多種振動源，例如洗衣機振動主頻率大于為110Hz，柴油機的典型振動頻率為70Hz。許多學者致力于研究將振動能量收集轉換為電能，根據能量收集原理的不同，現有裝置可大致分為電磁式、壓電式和靜電式3種形式，其中靜電式由于產生電量較低相關研究偏少。

自然環境中振動也無處不在，如人行走時產生上下振動、汽車顛簸、樹枝隨風搖擺、海浪波動等。通過觀察，自然環境中多數振動有以下特點可供設計振動能量收集裝置時參考：

1.振動頻率低。自然環境中的振動最大的特點為低頻，其典型振動頻率一般在2Hz以下。例如步行頻率約為1Hz，慢跑約為2Hz，海面波浪振動周期為0.4秒到數十秒。

2.波幅相對大。步行在豎直方向能產生幾厘米的振動，海面波高從十幾厘米到十幾米。

上述2個問題，給自然環境次下能量收集帶來一定難度，這是由于目前研究的多數振動能量收集裝置的工作頻率多數在幾十Hz到幾百Hz，同時自然環境振動的幅度遠超過其運動部件的運動極限。于是，出現了懸臂梁振動能量收集結構，外界低頻率、較大波幅的振動撞擊懸臂梁，激勵懸臂梁產生高頻、較大振幅的自由振動的方式收集能量。英國南安普頓大學Beeby等人組成的研究小組，一直致力于小型電磁式振動能量收集裝置的開發，于2007發表的論文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，引起了轟動，被世界主要大媒體廣泛報道。該論文報道的懸臂梁式振動能量收集裝置，包含一條作為彈性元件的懸臂梁，梁末端固定2組4塊稀土永磁體，當梁振動時2組永磁體中間的線圈不動，線圈中將產生電動勢。裝置的總體積0.15cm3，線圈繞線2300轉，在振動頻率為52Hz、加速度為0.59m/s2時，電壓達428mV，功率46μW。2015發表的論文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，討論了一種固支梁結構的振動能量收集裝置，裝置中具有電磁式和壓電式兩套獨立的能量收集裝置。