[發(fā)明專利]自由端磁路調(diào)節(jié)懸臂梁振動(dòng)能量收集裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810163397.4
• 申請(qǐng)日: 2018-02-27
• 公開（公告）號(hào): CN108631537A
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張端;孫瑩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02K35/02
• 分類號(hào): H02K35/02
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種自由端磁路調(diào)節(jié)懸臂梁振動(dòng)能量收集裝置，懸臂梁一端插入并固定安裝于懸臂梁固定端，懸臂梁截面呈矩形，懸臂梁的尾部有配重，在配重上安裝固定兩個(gè)懸臂梁磁軛；靠近懸臂梁自由端有一永磁體固定端，在永磁體固定端上左右對(duì)稱地安裝固定左永磁體磁軛和右永磁體磁軛，左永磁體磁軛和右永磁體磁軛之間有空隙；左永磁體磁軛和右永磁體磁軛靠近懸臂梁一側(cè)各有兩個(gè)上下分布的線圈支架；左永磁體磁軛和右永磁體磁軛安裝永磁體；左永磁體磁軛和右永磁體磁軛各自的兩個(gè)線圈支架的安裝軸上纏繞了一個(gè)感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈兩引出端接能量收集電路。本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換效率較高、振動(dòng)阻尼較小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電磁式能量收集裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種利用懸臂梁振動(dòng)收集能量的裝置。

背景技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在大量分布的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，上述節(jié)點(diǎn)均需要有各自獨(dú)立的供電裝置，目前使用較多是蓄電池，由此產(chǎn)生某些負(fù)面影響：第一，電池電量有限，限制節(jié)點(diǎn)使用壽命；第二，化學(xué)電池引起的二次污染，對(duì)自然環(huán)境與其中的生物構(gòu)成威脅。針對(duì)上述問題，研究能量收集技術(shù)以利用可再生能源實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的自供電意義重大。

在生活中可能遇到多種振動(dòng)源，例如洗衣機(jī)振動(dòng)主頻率大于為 110Hz，柴油機(jī)的典型振動(dòng)頻率為70Hz。許多學(xué)者致力于研究將振動(dòng)能量收集轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)能量收集原理的不同，現(xiàn)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(chǎn)生電量較低相關(guān)研究偏少。

自然環(huán)境中振動(dòng)也無(wú)處不在，如人行走時(shí)產(chǎn)生上下振動(dòng)、汽車顛簸、樹枝隨風(fēng)搖擺、海浪波動(dòng)等。通過觀察，自然環(huán)境中多數(shù)振動(dòng)有以下特點(diǎn)可供設(shè)計(jì)振動(dòng)能量收集裝置時(shí)參考：

1.振動(dòng)頻率低。自然環(huán)境中的振動(dòng)最大的特點(diǎn)為低頻，其典型振動(dòng)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(dòng)周期為0.4秒到數(shù)十秒。

2.波幅相對(duì)大。步行在豎直方向能產(chǎn)生幾厘米的振動(dòng)，海面波高從十幾厘米到十幾米。

上述2個(gè)問題，給自然環(huán)境次下能量收集帶來一定難度，這是由于目前研究的多數(shù)振動(dòng)能量收集裝置的工作頻率多數(shù)在幾十Hz到幾百Hz，同時(shí)自然環(huán)境振動(dòng)的幅度遠(yuǎn)超過其運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)極限。于是，出現(xiàn)了懸臂梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，外界低頻率、較大波幅的振動(dòng)撞擊懸臂梁，激勵(lì)懸臂梁產(chǎn)生高頻、較大振幅的自由振動(dòng)的方式收集能量。英國(guó)南安普頓大學(xué)Beeby等人組成的研究小組，一直致力于小型電磁式振動(dòng)能量收集裝置的開發(fā)，于2007發(fā)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(dòng)，被世界主要大媒體廣泛報(bào)道。該論文報(bào)道的懸臂梁式振動(dòng)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(dāng)梁振動(dòng)時(shí)2組永磁體中間的線圈不動(dòng)，線圈中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。裝置的總體積0.15cm3，線圈繞線2300轉(zhuǎn)，在振動(dòng)頻率為52Hz、加速度為0.59m/s2時(shí)，電壓達(dá) 428mV，功率46μW。2015發(fā)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(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量收集裝置，裝置中具有電磁式和壓電式兩套獨(dú)立的能量收集裝置。