本發(fā)明屬于振動(dòng)能量回收裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的多頻率振動(dòng)能量回收裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)今世界各國(guó)面臨的兩大難題，為了解決能源危機(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活的影響，各國(guó)科技工作者開始探索新的綠色能源。能量回收是指獲取外界能量并將其轉(zhuǎn)換為可利用電能的過程。

在過去幾年中，便攜式設(shè)備、無線傳感器及微機(jī)電系統(tǒng)MEMS快速發(fā)展，這些設(shè)備或傳感器系統(tǒng)是便攜式的或分布式的，因此需要自帶電源。大部分情況下，這些電源就是常規(guī)的電池，但是電池電能和使用壽命都是有限的。對(duì)這些設(shè)備來說，更換電池會(huì)產(chǎn)生很多不方便；另外，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。這就迫切需要這些系統(tǒng)自身能產(chǎn)生電能供自己使用。雖然環(huán)境中采集的能量通常比較小，但是隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成化在不斷的提高同時(shí)功耗在不斷的降低，因此環(huán)境中回收的能量對(duì)于微功耗系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠。

獲取外界能量主要有以下幾種能量采集來源：太陽能，振動(dòng)能，噪聲，溫度梯度。其中振動(dòng)作為人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ姮F(xiàn)象，由于其具有較高的能量密度1年使用期的功能密度為100-200μW/cm3，因此從周圍環(huán)境的振動(dòng)中回收能量無疑是一種最方便、最具有潛力的方式。

目前振動(dòng)能量回收技術(shù)研究主要有三種方式：靜電式electrostatic、電磁式electromagnetic和壓電式piezoelectric，其中電磁式能量回收裝置工作時(shí)遵循的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過閉合回路一般為線圈所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由此將環(huán)境振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。根?jù)振動(dòng)部件的不同，可以把電磁式振動(dòng)能量回收裝置分為動(dòng)鐵磁鐵振動(dòng)、動(dòng)圈線圈振動(dòng)、和鐵圈同振磁鐵線圈共同振動(dòng)三種類型。

浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)的電磁式振動(dòng)發(fā)電裝置201210499462.3，包括外殼、振子、感應(yīng)線圈、磁軛和支架，該發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是利用了多齒結(jié)構(gòu)使線圈磁通變化頻率遠(yuǎn)高于振子的振動(dòng)頻率，提高了發(fā)電效率。

江蘇大學(xué)研發(fā)出一種發(fā)電功率可調(diào)的電磁式振動(dòng)能量收集器201410016971.5，包括能量轉(zhuǎn)換裝置、導(dǎo)軌、質(zhì)量塊和磁鐵。通過旋動(dòng)可調(diào)平臺(tái)的旋鈕調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換裝置與被動(dòng)磁鐵間的距離，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)磁鐵和被動(dòng)磁鐵間作用力的大小，使被動(dòng)磁鐵的振動(dòng)幅度發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電功率的目的。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是使發(fā)電功率可調(diào)，解決了大部分振動(dòng)能量收集器發(fā)電功率單一的問題。

河北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的一種電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)201310444325.4，核心部件為磁軛，振動(dòng)軸，軸轂。實(shí)驗(yàn)表明該發(fā)電機(jī)在頻率為10Hz，振幅為10mm時(shí)，輸出電壓峰值為6V。

基于以上分析，現(xiàn)有的振動(dòng)能量采集裝置，其拾振機(jī)構(gòu)只收集固有頻率附近的振動(dòng)，遠(yuǎn)離固有頻率的振動(dòng)獲取能力弱。而環(huán)境振動(dòng)通常是由一系列不同頻率的振動(dòng)信號(hào)組成。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的振動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)只對(duì)單一頻率敏感等缺陷，提供一種能在不同頻率下均使系統(tǒng)具有優(yōu)異效果的能量回收結(jié)構(gòu)，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置，此種裝置能保證在環(huán)境的幾種典型振動(dòng)頻率中高效率的收集振動(dòng)能量，解決了現(xiàn)有振動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)只對(duì)單一頻率敏感等缺陷。

本發(fā)明技術(shù)方案結(jié)合附圖說明如下：一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置，該回收裝置包括磁電轉(zhuǎn)換部分和能量收集部分；其中所述的磁電轉(zhuǎn)換部分包括外殼1、拉伸彈簧2、質(zhì)量塊3、電感線圈4；所述的能量收集部分包括電能存儲(chǔ)電路5；所述的外殼1為一矩形中空的殼體，內(nèi)部均勻設(shè)置有多個(gè)空腔；其中每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)拉伸彈簧2；所述的拉伸彈簧2設(shè)置于外殼1的內(nèi)部，其中一端固定在外殼1內(nèi)側(cè)的上部，另一端與質(zhì)量塊3相連；所述的電感線圈4設(shè)置在外殼1的空腔內(nèi)，質(zhì)量塊3的外面；所述的質(zhì)量塊3內(nèi)部有永磁體6，質(zhì)量塊3和永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動(dòng)。

所述的電感線圈4包括電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8；其中所述的電感線圈骨架9固定在空腔的內(nèi)部，中間有通孔；所述的電感線圈磁芯7設(shè)置在電感線圈骨架9的內(nèi)部并且與通孔過盈配合；所述的漆包線8繞在電感線圈骨架9上。

本發(fā)明的有益效果為：

1.本發(fā)明所述的一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置采用改變系統(tǒng)拉伸彈簧參數(shù)、改變質(zhì)量塊質(zhì)量的方式去控制系統(tǒng)固有頻率，從而使裝置在環(huán)境的不同典型振動(dòng)頻率下達(dá)到共振，以此來解決已有裝置工作頻率單一的問題；

2.本發(fā)明所述的一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置可以簡(jiǎn)化為單自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼振動(dòng)模型，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且分析方法簡(jiǎn)便，使用時(shí)不易出現(xiàn)復(fù)雜故障；

3.本發(fā)明所述的一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置主要包括磁電轉(zhuǎn)換和電能收集兩部分，將磁電轉(zhuǎn)換部分收集的振動(dòng)能量?jī)?chǔ)存到蓄電池中，以此解決發(fā)電量較小時(shí)傳統(tǒng)振動(dòng)能量收集裝置不能使微機(jī)電系統(tǒng)工作的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的主視圖；

圖3為本發(fā)明的原理圖；

圖4為本發(fā)明中的質(zhì)量塊的剖視圖；

圖5為本發(fā)明中的電感線圈結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中的儲(chǔ)能電路原理圖。

圖中：1、外殼；2、拉伸彈簧；3、質(zhì)量塊；4、電感線圈；5、電能存儲(chǔ)電路；6、永磁體；7、電感線圈磁芯；8、漆包線；9、電感線圈骨架。

具體實(shí)施方式

參閱圖1—圖2，一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置，該回收裝置包括磁電轉(zhuǎn)換部分和能量收集部分；其中所述的磁電轉(zhuǎn)換部分包括外殼1、拉伸彈簧2、質(zhì)量塊3、電感線圈4；所述的能量收集部分包括電能存儲(chǔ)電路5；所述的外殼1內(nèi)部均勻設(shè)置有多個(gè)空腔；其中每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)拉伸彈簧2；所述的拉伸彈簧2設(shè)置于外殼1的內(nèi)部，其中一端固定在外殼1內(nèi)側(cè)的上部，另一端與質(zhì)量塊3相連；所述的電感線圈4設(shè)置在質(zhì)量塊3的外面；所述的質(zhì)量塊3內(nèi)部有永磁體6，質(zhì)量塊3和永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動(dòng)。

所述的電感線圈4包括電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8；其中所述的電感線圈骨架9固定在空腔的內(nèi)部，中間有通孔；所述的電感線圈磁芯7設(shè)置在電感線圈骨架9的內(nèi)部并且與通孔過盈配合；所述的漆包線8繞在電感線圈骨架9上。

所述的外殼1為中空的立體結(jié)構(gòu)，外殼1的尺寸要根據(jù)電感線圈4中電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8的匝數(shù)確定，在本實(shí)施例中，最終設(shè)計(jì)整體尺寸為248mm×60mm×60mm。所述的質(zhì)量塊3位于外殼1的每個(gè)空腔中，并通過拉伸彈簧2與外殼1相連。拉伸彈簧2及質(zhì)量塊3的數(shù)目與外殼空腔的數(shù)目相等。外殼空腔數(shù)目要根據(jù)本裝置放置環(huán)境的典型振動(dòng)頻率數(shù)目確定，在本實(shí)例中，設(shè)計(jì)為具有四個(gè)空腔的中空立體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的一種多頻率振動(dòng)能量回收裝置可以簡(jiǎn)化為單自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)振動(dòng)模型，即由外界基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，通過電磁感應(yīng)將質(zhì)量塊3的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能。當(dāng)質(zhì)量塊3在外界激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于置于質(zhì)量塊3內(nèi)部的永磁體6隨著環(huán)境的振動(dòng)以一定的頻率發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即與電感線圈4發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過閉合回路(一般為線圈)所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為：

其中U_e代表感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為V；N_e表示組成閉合回路的線圈匝數(shù)；是穿過每匝線圈的磁通量，單位為Wb；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；是線圈的面積矢量；t是時(shí)間，單位為s。

參閱圖3，磁鐵在外部振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)可以由彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)來表示，永磁體6置于質(zhì)量塊3內(nèi)，設(shè)質(zhì)量塊為m，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，k為彈簧的剛度系數(shù)，L為線圈電感，線圈內(nèi)阻為Rc，線圈長(zhǎng)度為l，負(fù)載電阻為R_L。殼體1隨外界環(huán)境的振動(dòng)位移y(t)和振動(dòng)頻率的大小將會(huì)引起質(zhì)量塊3的振動(dòng)位移x(t)，從而影響系統(tǒng)的輸出電壓和功率。設(shè)彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)位移為f(t)。由牛頓定律可知系統(tǒng)在任意激勵(lì)下的受迫振動(dòng)微分方程為：

$f\left(t\right)=m\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+c\frac{dx\left(t\right)}{dt}+kx\left(t\right)---\left(2\right)$

式中，x(t)＝Acos(ωt+θ)為質(zhì)量塊3(即永磁體6)的振動(dòng)位移函數(shù)，c為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

在初始條件為零時(shí)，對(duì)其進(jìn)行拉普拉斯變換，得到其傳遞函數(shù)為：

$\frac{X\left(s\right)}{F\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{ms}}^2+cs+k}---\left(3\right)$

根據(jù)電壓原理可得：

$L\frac{dI\left(t\right)}{dt}+(R_L+R_C)I\left(t\right)=Bl\frac{dx\left(t\right)}{dt}---\left(4\right)$

式中I(t)為感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化函數(shù)。

由(5)可得到振動(dòng)裝置的感應(yīng)電壓為：

$V=Bl\frac{dx\left(t\right)}{dt}---\left(5\right)$

因此，從永磁體5的相對(duì)運(yùn)動(dòng)到輸出電壓的傳遞函數(shù)可以表示為：

$\frac{V\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{BlRs}{Ls+R_L+R_C}---\left(6\right)$

電磁線圈4中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的反饋為：

$f_e=BIl=\frac{BlV}{R_L}---\left(7\right)$

結(jié)合(3)、(4)、(6)、(7)式，可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

$\frac{V\left(s\right)}{F\left(s\right)}=\frac{BlRs}{R_L({\mathrm{ms}}^2+cs+k)+{\left(Bl\right)}^{2}s}---\left(8\right)$

經(jīng)過拉氏變換后，可以得到振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

$G\left(s\right)=\frac{k/m}{s^2+\frac{c}{m}s+\frac{k}{m}}=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(9\right)$

式中，當(dāng)時(shí)為振蕩環(huán)節(jié)。

阻尼系數(shù)可以分解為機(jī)械阻尼系數(shù)和電氣阻尼系數(shù)其中：

${\mathrm{\ζ}}_m=\frac{c_m}{\sqrt{2mk}}=\frac{c}{2{\mathrm{m\ω}}_n}---\left(10\right)$

${\mathrm{\ζ}}_e=\frac{{\left(Bl\right)}^2}{2R_L\sqrt{mk}}=\frac{{\left(Bl\right)}^2}{2{\mathrm{mR}}_L{\mathrm{\ω}}_n}---\left(11\right)$

因此，系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

$\frac{V\left(s\right)}{F\left(s\right)}=\left(Bls\right)/s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2---\left(12\right)$

即輸出電壓可以看作為是一個(gè)正弦輸入信號(hào)的函數(shù)。因?yàn)檩敵龉β蕿椋?/p>

$P\left(t\right)\frac{V^2\left(t\right)}{R_L}---\left(13\right)$

得到平均功率為：

$P=\frac{{\mathrm{m\ζA}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^3{\mathrm{\ω}}^3}{{\[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2\]}^2+{\left(\frac{2\mathrm{\ζ}\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}---\left(14\right)$

可得出，在共振頻率處，ω＝ω_n，輸出的平均功率和輸出電壓值達(dá)到最大:

$P_{\max }=\frac{{\mathrm{mA}}^2{{\mathrm{\ω}}_n}^3}{4\mathrm{\ζ}}---\left(15\right)$

$V_{\max }=\sqrt{2{\mathrm{PR}}_L}=\frac{{\mathrm{BlA\ω}}_n}{2\mathrm{\ζ}}---\left(16\right)$

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以用這個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述，對(duì)所給的外部振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，即可最優(yōu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大輸出功率。

由以上分析可知，本裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)保證裝置的固有頻率接近環(huán)境的典型振動(dòng)頻率，使裝置與環(huán)境達(dá)到共振，使能量回收效率最高。在本發(fā)明所述的能量回收裝置中，則需要保證每個(gè)彈簧-質(zhì)量塊單元的固有頻率接近環(huán)境的一種典型振動(dòng)頻率，以此保證在外界環(huán)境的每種典型振動(dòng)情況下，都有至少一個(gè)單元與環(huán)境發(fā)生共振。環(huán)境的典型頻率可以簡(jiǎn)單由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。彈簧的固有頻率可由以下公式計(jì)算：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(17\right)$

其中，f為彈簧的固有頻率，單位為Hz；k為彈簧的剛度系數(shù)，單位為N/m；m為系統(tǒng)質(zhì)量，單位為kg。

而拉伸彈簧的剛度系數(shù)k則可由以下公式得出：

$k=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{8{D_m}^3{N}_C}---\left(18\right)$

其中，G為線材的剛性模數(shù)，常見的線材有碳鋼絲G＝79300，不銹鋼絲G＝697300，磷青銅線G＝4500，黃銅線G＝350；d為線徑，D_m為彈簧中徑，N_C為彈簧有效圈數(shù)。

由以上兩式即可根據(jù)外界環(huán)境的振動(dòng)頻率，選擇合適的彈簧或合理設(shè)計(jì)符合裝置放置環(huán)境要求的彈簧。

參閱圖3，質(zhì)量塊3為軟磁材料制成的立方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部放置圓柱體或長(zhǎng)方體形狀的永磁體6。軟磁材料是指磁化發(fā)生在矯頑力不大于1000A/m的磁化材料，其主要性能參數(shù)包括磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力。磁導(dǎo)率決定了材料傳遞磁力線的能力，是比較重要的參數(shù)之一。本裝置中質(zhì)量塊3除了受外界激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，還起著傳導(dǎo)磁力線的作用，因此選用低矯頑力、高磁導(dǎo)率特點(diǎn)的材料，而軟磁材料則具備以上兩個(gè)特點(diǎn)，如純鐵(密度為7.86g/cm3)。

本發(fā)明裝置中的磁場(chǎng)由永磁體6產(chǎn)生，永磁體特性的主要參數(shù)有磁能積、矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度三項(xiàng)。其中，磁能積代表了永磁體在氣隙空間所建立的磁能量密度，即氣隙單位體積的靜磁能量。磁能積越大，則儲(chǔ)存在單位體積內(nèi)的磁能也越大，材料性能越好；矯頑力是指使磁化至技術(shù)飽和的永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，矯頑力越大，永磁性就越好；剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度是指永磁體經(jīng)磁化至技術(shù)飽和并去掉外磁場(chǎng)后，所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度。參數(shù)數(shù)值越大表明永磁材料的性能越好。永磁體包括磁鋼、鐵氧體和稀土永磁體。其中，磁鋼的優(yōu)點(diǎn)是不受溫度影響，可用于高溫環(huán)境，同時(shí)它的耐腐蝕性比較好，因此具有較長(zhǎng)的使用壽命，其最大磁能積僅次于稀土永磁體。而鐵氧體的性能相比其他兩種永磁體而言是比較差的，但是由于其成本低廉，也被廣泛應(yīng)用。相比其他兩種永磁材料，稀土永磁材料是具有高磁能積、高矯頑力、高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度磁性材料，其中的釹鐵硼系列永磁體最大磁能積可達(dá)398KJ/m3，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.47T，是目前磁性最高的永磁材料。在相同體積下，稀土永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，因此常常成為振動(dòng)能量裝置的首選，同時(shí)由于它的矯頑力比較高，不會(huì)因?yàn)檠b置的振動(dòng)而退磁，因此，本裝置選用稀土永磁體作為永磁體6的材料，確定以NdFe35作為永磁材料，材料密度為7.5g/cm3。本裝置中設(shè)計(jì)質(zhì)量塊尺寸為邊長(zhǎng)10mm的立方體，永磁體材料為半徑4mm、長(zhǎng)10mm的圓柱體，如圖3所示置于質(zhì)量塊內(nèi)部。

參閱圖3，質(zhì)量塊3及其內(nèi)部的永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動(dòng)，因此電感線圈4選用空心線圈結(jié)構(gòu)。

參閱圖5電感線圈結(jié)構(gòu)，磁芯7和骨架9均選用空心結(jié)構(gòu)，磁芯7的外徑應(yīng)與骨架9空心處直徑相符，以便將磁芯7置于骨架9內(nèi)。漆包線8作為繞組繞在骨架9上。

首先根據(jù)工作頻率，選用線圈的導(dǎo)線：工作于低頻段的電感線圈，一般采用漆包線等帶絕緣的導(dǎo)線繞制。工作頻率高于幾萬赫茲而低于2MHz的電路中，采用多股絕緣的導(dǎo)線繞制線圈，這樣可有效地增加導(dǎo)體的表面積，從而可以克服集膚效應(yīng)的影響。在頻率高于2MHz的電路中，電感線圈應(yīng)采用單根粗導(dǎo)線繞制，導(dǎo)線的直徑一般為0.3mm－1.5mm。因此本發(fā)明裝置選用漆包線作為線圈導(dǎo)線材料。在各種導(dǎo)體中，銅的導(dǎo)電性僅次于銀，軟銅電阻率在各種銅材中最低，在20℃時(shí)的直流電阻率為0.017241Ω·mm2/m，其介電常數(shù)ε＝ε₀＝8.85×10^-12F/m，電導(dǎo)率γ＝5.80×10⁷S/m，漆包線的線徑越大，長(zhǎng)度越短，其直流電阻越小。

選用優(yōu)質(zhì)的骨架，可以減小介質(zhì)損耗，如選用高頻瓷材料作為骨架。在線圈的內(nèi)部放入磁芯，可以減少線圈的圈數(shù)，即減小其電阻值，還可以提高它的電感量，而且縮小了線圈的體積。磁芯材料可選用高導(dǎo)磁環(huán)形磁芯MnZn，其初始磁導(dǎo)率越高，工作頻率就越高。結(jié)構(gòu)中膠帶的作用則是作為每層繞組之間的絕緣，并固定磁芯和導(dǎo)線。骨架尺寸則應(yīng)保證拉伸彈簧2可帶動(dòng)質(zhì)量塊3在磁芯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受阻礙。如本裝置中確定質(zhì)量塊3的尺寸后，即可選用兩邊墻板圓直徑50mm，空心直徑20mm，高度25mm的骨架。由此尺寸則可進(jìn)一步確定出外殼1尺寸。外殼1的空腔中放置電感線圈4，即空腔寬度部分應(yīng)稍大于線圈骨架墻板圓直徑50mm，空腔長(zhǎng)度部分應(yīng)大于線圈骨架高度且留出可調(diào)整電感線圈4位置的空隙，如每個(gè)空腔寬度為52mm，長(zhǎng)度為50mm，外殼厚度為5mm，則外殼1的整體尺寸為248mm×60mm×60mm。

電感線圈4需要有兩個(gè)繞組，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。初級(jí)線圈輸出的電能通過后序電路中的電感進(jìn)行存儲(chǔ)，次級(jí)線圈輸出的電能為電路芯片提供能量。線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)，需要考慮后電路中芯片所需電壓的大小。線圈電感量的大小則主要取決于線圈匝數(shù)、幾何形狀，以及線圈結(jié)構(gòu)尺寸，如繞組長(zhǎng)度、直徑、厚度等。

由(14)、(15)、(16)三式可知，線圈的內(nèi)阻直接影響到輸出電壓和功率的大小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小內(nèi)阻。按照電阻計(jì)算公式：

R＝ρl/S (19)

其中ρ為材料的電阻系數(shù)，單位為Ω·m；l_R為電阻長(zhǎng)度，單位為m；S為電阻橫截面積，單位為m²。

繞組線圈的長(zhǎng)度和橫截面積為：

$l=\mathrm{\π}{\left(\frac{d_0}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{d_1}{2}\right)}^2=\frac{\mathrm{\π}}{4}({d_0}^2-{d_1}^2)---\left(20\right)$

$S=\mathrm{\π}{\left(\frac{w_0}{2}\right)}^2{\mathrm{\ω}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}{w_0}^2{w}_1---\left(21\right)$

則繞組線圈的電阻為：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{{d_0}^2-{d_1}^2\mathrm{\μ}}{{w_0}^2{w}_1(1+\mathrm{\μ})}---\left(22\right)$

其中，d₀為螺旋線圈的外徑，單位為m；d₁為螺旋線圈的內(nèi)徑，單位為m；w₀為線圈橫截面積的長(zhǎng)度，單位為m；w₁為線圈橫截面積的厚度，單位為m；μ為占空比。

線圈匝數(shù)：

螺旋線圈的電感工程近似計(jì)算為：

其中，改變線圈的外徑d₀及線圈匝數(shù)N，可以計(jì)算出線圈外徑以及線圈匝數(shù)與電感量的關(guān)系。

磁電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電能相對(duì)較小，不能直接為大部分電路提供驅(qū)動(dòng)能量，因此需要進(jìn)行電量的存儲(chǔ)。收集電磁式振動(dòng)產(chǎn)生電量的方法主要有通過電容/電感收集產(chǎn)生的振動(dòng)能量和利用可重復(fù)充電的電池兩種。本裝置中整個(gè)結(jié)構(gòu)不借助外部能源供電，只依靠磁電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電量來驅(qū)動(dòng)電路正常工作。

參閱圖6，其中儲(chǔ)能電路中的開關(guān)S用于輸入端電源開關(guān)，Ls為超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈，二極管D起續(xù)流作用，S2為電感放電控制開關(guān)，S3在充電和放電時(shí)接通，電感Lf和電容Cf為濾波電感，Rl為系統(tǒng)負(fù)載。開關(guān)S1有兩個(gè)作用：充電和儲(chǔ)能時(shí)用于構(gòu)成電流通路及放電時(shí)用于分流，以實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓控制。在工作時(shí)，電路有三種運(yùn)行狀態(tài)：充電狀態(tài)；儲(chǔ)能狀態(tài)；放電狀態(tài)。充電時(shí)，開關(guān)S接通電源，S1閉合，S2斷開，S3斷開。儲(chǔ)能時(shí)，S斷開與電源的聯(lián)系，S1仍然接通，S2斷開，S3閉合。

上述實(shí)例中，本發(fā)明裝置的質(zhì)量塊尺寸、電感線圈骨架尺寸在實(shí)際應(yīng)用中均為可變參數(shù)。由以上說明可知本實(shí)例中裝置整體尺寸僅為248mm×60mm×60mm，滿足結(jié)構(gòu)的微型化要求。由于尺寸限制，本裝置僅適用于回收環(huán)境中10-200Hz的低頻振動(dòng)。它可以應(yīng)用于各種大型機(jī)械機(jī)座或者振動(dòng)元件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、攪拌機(jī)、洗衣機(jī)以及各種微結(jié)構(gòu)中的低頻振動(dòng)能量回收，為微機(jī)電系統(tǒng)或無線傳感器提供電能。