本發(fā)明涉及發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種振動(dòng)發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的普及，解決其供能的問題日益重要。器件的小型化，意昧著對(duì)供電電源的要求增大。微型器件基本使用的是微型電池，而微型電池基本采用的是化學(xué)電池(像鋰-碘電池)，這些微型電池存在著化學(xué)污染、壽命短的缺點(diǎn)。針對(duì)上述問題，出現(xiàn)了振動(dòng)發(fā)電裝置。

振動(dòng)發(fā)電裝置大體分為電磁式振動(dòng)發(fā)電裝置、基于壓電智能材料的壓電式振動(dòng)發(fā)電裝置、基于磁致伸縮智能材料的振動(dòng)發(fā)電裝置以及基于電子配件的靜電式振動(dòng)發(fā)電裝置。振動(dòng)發(fā)電裝置采集自然界中產(chǎn)生的振動(dòng)能量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥?/p>

一種典型的振動(dòng)發(fā)電裝置中，在線圈部分中沿軸向依次設(shè)置一個(gè)固定永磁體、運(yùn)動(dòng)磁體和另一個(gè)固定永磁體，且運(yùn)動(dòng)磁體采用軟磁體與永磁體相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置，通過運(yùn)動(dòng)磁體沿軸向運(yùn)動(dòng)生電，不便控制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不便于加工，生產(chǎn)成本較高。

因此，如何方便振動(dòng)發(fā)電裝置的控制，簡化振動(dòng)發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)發(fā)電裝置，方便控制且結(jié)構(gòu)簡單。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種振動(dòng)發(fā)電裝置，包括：

頂桿，所述頂桿的下表面固定連接有第一永磁體，所述第一永磁體的兩個(gè)磁極分別位于上下兩端；

設(shè)于所述頂桿下方的下端蓋，所述下端蓋的上表面設(shè)有與所述第一永磁體正對(duì)的第二永磁體，所述第一永磁體的磁極方向與其所正對(duì)的所述第二永磁體相反，所述第二永磁體外側(cè)套設(shè)有環(huán)狀的線圈骨架，所述線圈骨架的軸向指向上下方向，所述線圈骨架上繞設(shè)有線圈，所述頂桿下移時(shí)，所述第一永磁體能夠伸入對(duì)應(yīng)的所述線圈骨架中；

用于向上推動(dòng)所述頂桿的機(jī)械彈簧，設(shè)于所述頂桿與所述下端蓋之間；

用于限制所述頂桿上移的最高極限位置的限位件。

優(yōu)選地，所述第一永磁體包括第一中間永磁體和若干個(gè)圍繞所述第一中間永磁體設(shè)置的第一邊部永磁體，所述第二永磁體包括與所述第一中部永磁體相對(duì)應(yīng)的第二中間永磁體和與所述第一邊部永磁體相對(duì)應(yīng)的第二邊部永磁體。

優(yōu)選地，所述第一中間永磁體與所述第一邊部永磁體的磁極方向相反。

優(yōu)選地，所有所述線圈相串聯(lián)。

優(yōu)選地，所述限位件為固定設(shè)于所述下端蓋上方的上端蓋，所述上端蓋上設(shè)有中間通孔，所述頂桿的中部由下至上伸出所述中間通孔，且所述頂桿的底部外圍能夠在上移至最高極限位置時(shí)抵住所述上端蓋的下表面。

優(yōu)選地，所述上端蓋與所述下端蓋之間設(shè)有環(huán)狀的外殼，所述上端蓋、所述下端蓋通過螺釘固定連接所述外殼，所述外殼上設(shè)有用于引出所述線圈極線的缺口。

優(yōu)選地，所述下端蓋上設(shè)有用于支撐所述第二中間永磁體的中間凸臺(tái)和用于支撐所述第二邊部永磁體的邊部凸臺(tái)，所述中間凸臺(tái)的高度小于所述邊部凸臺(tái)的高度，且所述第二中間永磁體的厚度大于所述第二邊部永磁體的厚度，所述第二中間永磁體與所述第二邊部永磁體的頂面共面設(shè)置，所述線圈骨架套設(shè)于對(duì)應(yīng)的所述中間凸臺(tái)或所述邊部凸臺(tái)之外。

優(yōu)選地，所有所述線圈骨架的頂面共面。

優(yōu)選地，所述下端蓋上設(shè)有用于對(duì)所述機(jī)械彈簧進(jìn)行限位的彈簧槽，所述彈簧槽呈環(huán)狀，所有所述線圈骨架均設(shè)于所述彈簧槽的內(nèi)側(cè)。

優(yōu)選地，所述頂桿的下表面上設(shè)有凹槽，所述第一永磁體固定設(shè)于所述凹槽中。

本發(fā)明提供的振動(dòng)發(fā)電裝置包括頂桿、下端蓋、機(jī)械彈簧和限位件。頂桿的下表面固定連接有第一永磁體，第一永磁體的兩個(gè)磁極分別位于上下兩端；下端蓋設(shè)于頂桿下方，下端蓋的上表面設(shè)有與第一永磁體正對(duì)的第二永磁體，第一永磁體的磁極方向與其所正對(duì)的第二永磁體相反，第二永磁體外側(cè)套設(shè)有環(huán)狀的線圈骨架，線圈骨架的軸向指向上下方向，線圈骨架上繞設(shè)有線圈，頂桿下移時(shí)，第一永磁體能夠伸入對(duì)應(yīng)的線圈骨架中；機(jī)械彈簧用于向上推動(dòng)頂桿，設(shè)于頂桿與下端蓋之間；限位件用于限制頂桿上移的最高極限位置。

此種振動(dòng)發(fā)電裝置中，外界振動(dòng)力的作用會(huì)影響永磁體間產(chǎn)生的斥力，以此來改變線圈中的磁通量，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能的效果，并達(dá)到能量采集的目的，能夠適用于低頻且諧振頻率多變的工作環(huán)境，例如可以采集人步行產(chǎn)生的振動(dòng)，控制方便，同時(shí)，結(jié)構(gòu)簡單、便于加工，且能夠降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的剖視圖；

圖2為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的內(nèi)部俯視圖；

圖3為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的爆炸圖。

圖1至圖3中：

1-頂桿，2-上端蓋，3-外殼，4-機(jī)械彈簧，5-第二邊部永磁體，6-線圈，7-下端蓋，8-線圈骨架，9-第二中間永磁體，10-第一邊部永磁體，11-gmm材料件，12-第一中間永磁體，13-彈簧槽。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的核心是提供一種振動(dòng)發(fā)電裝置，方便控制且結(jié)構(gòu)簡單。

請(qǐng)參考圖1至圖3，圖1為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的剖視圖；圖2為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的內(nèi)部俯視圖；圖3為本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)生裝置的爆炸圖。

本發(fā)明所提供振動(dòng)發(fā)電裝置的一種具體實(shí)施例中，包括頂桿1、下端蓋7、限位件和機(jī)械彈簧4。

頂桿1的下表面固定連接有第一永磁體，第一永磁體的兩個(gè)磁極分別位于上下兩端。

下端蓋7設(shè)置在頂桿1的下方。下端蓋7的上表面設(shè)有與第一永磁體正對(duì)的第二永磁體，第一永磁體的磁極方向與其所正對(duì)的第二永磁體相反，如果第一永磁體上端為s極且下端為n極，則該第一永磁體所正對(duì)的第二永磁體上端為n極且下端為s極，如果第一永磁體上端為n極且下端為s極，則該第一永磁體所正對(duì)的第二永磁體上端為s極且下端為n極。第一永磁體與第二永磁體之間具有排斥力的作用，能夠作為磁性彈簧來擔(dān)當(dāng)振動(dòng)發(fā)電裝置中的第一個(gè)支撐。第二永磁體外側(cè)套設(shè)有環(huán)狀的線圈骨架8，線圈骨架8的軸向指向上下方向，線圈骨架8上繞設(shè)有線圈6，頂桿1下移時(shí)，第一永磁體能夠伸入對(duì)應(yīng)的線圈骨架8中。

機(jī)械彈簧4設(shè)于頂桿1與下端蓋7之間，機(jī)械彈簧4用于向上推動(dòng)頂桿1。由于永磁體之間只有在較小的距離內(nèi)時(shí)第一永磁體與第二永磁體之間才能產(chǎn)生比較大的斥力，外加機(jī)械彈簧4可以充當(dāng)振動(dòng)發(fā)電裝置內(nèi)部第二個(gè)支撐。在解除向下壓動(dòng)頂桿1的外力后，頂桿1在機(jī)械彈簧4回復(fù)力的作用下上移。

限位件用于限制頂桿1上移的最高極限位置，當(dāng)頂桿1上移至最高極限位置時(shí)，限位件阻止頂桿1繼續(xù)上移，使頂桿1停止運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)外界產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，頂桿1將受到一個(gè)向下作用的軸向力，頂桿1帶動(dòng)其所連接的第一永磁體向下運(yùn)動(dòng)，第二永磁體與對(duì)應(yīng)的第一永磁體的磁極相反，隨著第一永磁體的下移，第一永磁體離對(duì)應(yīng)的第二永磁體的距離越來越近，第一永磁體與對(duì)應(yīng)的第二永磁體之間的排斥力越強(qiáng)，進(jìn)而引起線圈骨架8上繞制線圈6的磁通量發(fā)生較大的變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈6感應(yīng)出電動(dòng)勢，從而將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。

可見，此種振動(dòng)發(fā)電裝置中，外界振動(dòng)力的作用會(huì)影響永磁體間產(chǎn)生的斥力，以此來改變線圈6中的磁通量，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能的效果，并達(dá)到能量采集的目的，能夠適用于低頻且諧振頻率多變的工作環(huán)境，例如可以采集人步行產(chǎn)生的振動(dòng)，控制方便，同時(shí)，結(jié)構(gòu)簡單、便于加工，且能夠降低生產(chǎn)成本。

具體地，第一永磁體包括第一中間永磁體12和若干個(gè)圍繞第一中間永磁體12設(shè)置的第一邊部永磁體10，第二永磁體包括與第一中部永磁體相對(duì)應(yīng)的第二中間永磁體9和與第一邊部永磁體10相對(duì)應(yīng)的第二邊部永磁體5。其中，第一邊部永磁體10的數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，例如，第一邊部永磁體10可以為四個(gè)，且該四個(gè)第一邊部永磁體10在一個(gè)圓周上等間距設(shè)置，相應(yīng)地，四個(gè)第二邊部永磁體5正對(duì)于第一邊部永磁體10的下方設(shè)置。

本實(shí)施例中，第一永磁體與第二永磁體由中間向邊部依次設(shè)置，能夠有效利用振動(dòng)發(fā)電裝置中的可利用空間。

進(jìn)一步地，第一中間永磁體12與第一邊部永磁體10的磁極方向相反。以第一中間永磁體12的磁極方向?yàn)樯蟦下s為例，第一邊部永磁體10的磁極方向?yàn)樯蟬下n，相應(yīng)地，第二中間永磁體9的磁極方向?yàn)樯蟬下n，第二邊部永磁體5的磁極方向?yàn)樯蟦下s。當(dāng)然，也可以為第一中間永磁體12的磁極方向?yàn)樯蟬下n，其他永磁體的磁極方向?qū)?yīng)設(shè)置。

本實(shí)施例中，第一中間永磁體12的n極輸出的磁力線能夠補(bǔ)充到第一邊部永磁體10上的s極，第一中間永磁體12的s極輸出的磁力線能夠補(bǔ)充到第一邊部永磁體10上的n極，使得第一永磁體下移過程中，第一永磁體與第二永磁體能夠產(chǎn)生較大的排斥力，進(jìn)一步改變線圈6內(nèi)部的磁通量，提高能量轉(zhuǎn)換的效率。

在上述各個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所有線圈6可以相串聯(lián)，根據(jù)基爾霍夫串聯(lián)電壓定律，使該振動(dòng)發(fā)電裝置能夠感應(yīng)出更大的電動(dòng)勢或輸出更大的電壓。

在上述各個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，限位件具體可以為上端蓋2，上端蓋2固定設(shè)置在下端蓋7的上方，上端蓋2上設(shè)有中間通孔，頂桿1的中部由下至上伸出中間通孔，且頂桿1的底部外圍能夠在上移至最高極限位置時(shí)抵住上端蓋2的下表面。具體地，頂桿1可以為倒t形件。本實(shí)施例中，上端蓋2與頂桿1的配合實(shí)現(xiàn)頂桿1的限位，能夠進(jìn)一步簡化加工，且限位可靠。

進(jìn)一步地，上端蓋2與下端蓋7之間設(shè)有環(huán)狀的外殼3，上端蓋2、下端蓋7通過螺釘固定連接外殼3，外殼3上設(shè)有用于引出線圈6極線的缺口，外殼3可以對(duì)永磁體、線圈6等部件進(jìn)行有效保護(hù)，且外殼3與上端蓋2、下端蓋7連接后能夠提高較大的內(nèi)部空間。具體地，外殼3可以呈圓環(huán)狀，上端蓋2與下端蓋7對(duì)應(yīng)為圓形板。

具體地，上端蓋2、下端蓋7、外殼3以及頂桿1可以使用具有較高相對(duì)磁導(dǎo)率的低碳鋼制作，以保證磁路間的通透性。

具體地，上端蓋2與外殼3之間可以通過四個(gè)螺釘連接，外殼3與下端蓋7之間可以通過四個(gè)螺釘連接。

在上述各個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，下端蓋7上可以設(shè)有用于支撐第二中間永磁體9的中間凸臺(tái)和用于支撐第二邊部永磁體5的邊部凸臺(tái)，中間凸臺(tái)的高度小于邊部凸臺(tái)的高度，且第二中間永磁體9的厚度大于第二邊部永磁體5的厚度，第二中間永磁體9與第二邊部永磁體5的頂面共面設(shè)置，線圈骨架8套設(shè)于對(duì)應(yīng)的中間凸臺(tái)或邊部凸臺(tái)之外，具體地，套設(shè)于中間凸臺(tái)的線圈骨架8的徑向尺寸可以大于套設(shè)于邊部凸臺(tái)的線圈骨架8的徑向尺寸。本實(shí)施例的設(shè)置方式可以保證第一中間永磁體12、第二中間永磁體9之間對(duì)應(yīng)產(chǎn)生較大電動(dòng)勢，更好地配合第一邊部永磁體10與第二邊部永磁體5產(chǎn)生較大排斥力。

具體地，所有線圈骨架8的頂面可以共面，以保證頂桿1移動(dòng)的穩(wěn)定性。

具體地，下端蓋7上可以設(shè)有用于對(duì)機(jī)械彈簧4進(jìn)行限位的彈簧槽13，彈簧槽13呈環(huán)狀，所有線圈骨架8均設(shè)于彈簧槽13的內(nèi)側(cè)，從而可以避免頂桿1向下移動(dòng)時(shí)機(jī)械彈簧4與其他部件之間發(fā)生摩擦。

具體地，頂桿1的下表面上可以設(shè)有凹槽，第一永磁體固定設(shè)于凹槽中，以便于實(shí)現(xiàn)第一永磁體的固定。

具體地，線圈骨架8的內(nèi)側(cè)具體可以涂上一層耐磨的陶瓷涂料，或者采用具有極低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯制成線圈骨架8，以減少永磁體與線圈骨架8之間的摩擦，減輕運(yùn)動(dòng)的永磁體對(duì)線圈6拾取性能或能量采集能力的影響。又或者，線圈骨架8的采用沖擊強(qiáng)度較高、綜合性能較好的abs塑料制成，以適應(yīng)頂桿1及第一永磁體的沖擊力。

另外，第二中間永磁體9上還可以放置一定厚度的gmm材料件11(如terfenol-d棒)，即超磁致伸縮材料，利用頂桿1帶動(dòng)第一中間永磁體12對(duì)其的敲擊作用，可以產(chǎn)生壓磁式發(fā)電效果，從而產(chǎn)生更大的電能。

在進(jìn)行該振動(dòng)發(fā)電裝置的制作時(shí)，具體可以參照如下方式進(jìn)行：

此種振動(dòng)發(fā)電裝置利用永磁體間同性相斥的原則，且由第一永磁體充當(dāng)振子，但第一永磁體并不是在收到其下方對(duì)應(yīng)的第二永磁體的排斥力而振動(dòng)，而是在頂桿1的帶動(dòng)下隨頂桿1同步向下運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生振動(dòng)，其彈性系數(shù)k可以通過如下公式得到：

其中，fm：永磁體間產(chǎn)生的排斥力；z：永磁體間的相對(duì)位移。

由于永磁體的斥力是非線性的，所以它的諧振頻率是多變的，從準(zhǔn)靜態(tài)的角度進(jìn)行分析，將有多個(gè)諧振頻率，其諧振頻率f可以通過如下公式得到：

其中，m代表的是質(zhì)量塊。

再加上機(jī)械彈簧4帶有固定的諧振頻率，所以該振動(dòng)發(fā)電裝置將有磁彈簧產(chǎn)生的諧振頻率和機(jī)械彈簧4產(chǎn)生的諧振頻率。

再者，永磁體間產(chǎn)生的排斥力符合庫倫定律即：

其中，qt：第一永磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；qb：第二永磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；r0：上下永磁體間的距離；z：上下永磁體間的相對(duì)距。

其中，磁場強(qiáng)度可以q的計(jì)算公式如下：

q＝hcs

其中，hc：永磁體的矯頑力；s：永磁體的截面積。

因而，在制作該振動(dòng)發(fā)電裝置的時(shí)候，可以從qtqb或是m兩種情況來獲得所需要的諧振頻率。

同時(shí)，振動(dòng)發(fā)電裝置中的下端蓋7、頂桿1等部件可以采用軟件繪制圖紙，并通過cnc金屬切割、3d金屬打印或者直接購買等方式獲取，然后進(jìn)行裝配即可。

另外，由于以永磁體充當(dāng)?shù)拇艔椈傻膹椥韵禂?shù)會(huì)隨著兩磁極相對(duì)距離的變化而變化，所以可以通過調(diào)節(jié)永磁體的結(jié)構(gòu)或者是更換不同尺寸的永磁體來降低共振頻率。永磁體體可以是n35強(qiáng)磁型磁體。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的振動(dòng)發(fā)電裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。