一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型環(huán)保能量采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向?qū)掝l振動能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，使得無線傳感技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到我們的日常生活中，尤其是環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。與此同時，具有使用壽命短、不易更換、環(huán)境危害等缺點(diǎn)的傳統(tǒng)電池，已經(jīng)難以滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)的供電要求，這在一定程度上也阻礙了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。因此，自供電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)境中的振動能廣泛存在，與太陽能、風(fēng)能、熱能等可再生能源相比較，振動能能量密度高、受外界影響因素小。因此，振動能量采集器為無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電提供了一個重要且可行的選擇。
[0003]目前，大部分振動能量采集器都以懸臂梁或者彈簧作為振動部件，但是這種振動類型的缺點(diǎn)是只能響應(yīng)一個方向的振動，當(dāng)環(huán)境中的振動源的振動方向發(fā)生變化的時候，位于其他方向的振動能量就不能被振動能量采集器采集，在一定程度上減小了采集器的采集效率。同時，振動能量采集器的中磁鐵可能會對外部電子元件產(chǎn)生電磁干擾，因此需要使電子元件和振動能量采集器之間保持一定的安全距離，這也增大了振動能量采集器的總體體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器。
[0005]本發(fā)明的目的是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，包括支撐底座機(jī)構(gòu)、振動梁機(jī)構(gòu)、換能器和磁路機(jī)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)和磁路機(jī)構(gòu)與支撐底座機(jī)構(gòu)連接，所述換能器設(shè)置于振動梁機(jī)構(gòu)的末端，所述磁路機(jī)構(gòu)為環(huán)形海爾貝克陣列機(jī)構(gòu)，所述換能器設(shè)置于磁路機(jī)構(gòu)的磁場空間內(nèi)；當(dāng)能量采集器在感受到外部環(huán)境中的振動時，換能器在磁場空間內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生電輸出。
[0006]優(yōu)選的，所述振動梁可在同一平面內(nèi)能夠沿著任意方向振動。
[0007]優(yōu)選的，所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括底座，所述底座上設(shè)置有滑軌，所述移動固定端與底座滑動連接。
[0008]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0009]1、本發(fā)明中環(huán)形海爾貝克陣列的外部的磁場強(qiáng)度基本為零，陣列不會對振動能量采集器的周圍環(huán)境中的電子元件產(chǎn)生電磁干擾，這在總體上減小了能量采集器的體積。
[0010]2、本發(fā)明中振動能量采集器的振動梁為多方向振動，相對于單一方向的振動，能量采集效果高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。
[0011]3、本發(fā)明中能量采集器的諧振頻率可調(diào)，可調(diào)節(jié)振動梁的長度使得振動頻率與外界振動的頻率相接近，使其諧振達(dá)到最佳的輸出效果。
【附圖說明】
[0012]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0013]圖1為本發(fā)明所涉及的環(huán)形海爾貝克陣列多方向低頻振動能量采集器三維模型圖；
[0014]圖2為環(huán)形海爾貝克陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為環(huán)形海爾貝克陣列刨面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為振動梁機(jī)構(gòu)模型圖；
[0017]圖5為換能器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]如圖1所示，一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，包括支撐底座機(jī)構(gòu)、振動梁機(jī)構(gòu)、換能器和磁路機(jī)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)和磁路機(jī)構(gòu)與支撐底座機(jī)構(gòu)連接，所述換能器設(shè)置于振動梁機(jī)構(gòu)的末端，所述磁路機(jī)構(gòu)為環(huán)形海爾貝克陣列機(jī)構(gòu)，所述換能器3設(shè)置于磁路機(jī)構(gòu)的磁場空間內(nèi)；當(dāng)能量采集器受到外部環(huán)境中的振動從而產(chǎn)生受迫振動，振動梁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生彈性振動，換能器在環(huán)形海爾貝克陣列內(nèi)部與其發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生了使得換能器的外部磁場產(chǎn)生變化，換能器在磁場空間內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生電輸出；在沒有感受到外部環(huán)境中的振動時，所述換能器位于磁場空間的中心位置。
[0020]所述的環(huán)形海爾貝克陣列是一種特殊的磁體結(jié)構(gòu)，通過若干塊永磁鐵的特殊排列成環(huán)形，每塊永磁鐵所產(chǎn)生磁場互相疊加或抵消，從而使得環(huán)形陣列內(nèi)部的磁場增強(qiáng)，而陣列外部的磁場則基本為零。因?yàn)楹栘惪谁h(huán)形陣列的外部磁場基本為零，則陣列不會對外界電子元件產(chǎn)生干擾，從而從總體上減小了振動能量采集器的體積。
[0021]作為本實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)，所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括底座1-1和移動固定端1-2，該底座上設(shè)置有滑軌1-3，所述移動固定端與底座滑動連接。通過調(diào)節(jié)移動固定端與環(huán)形海線爾貝克陣列間的距離，使得振動梁機(jī)構(gòu)的振動頻率與外界振動的頻率相接近，使其諧振達(dá)到最佳的輸出效果。在本實(shí)施例中，為了減少對環(huán)形海爾貝克陣列產(chǎn)生磁場的影響，底座、移動固定端和滑軌均為非導(dǎo)磁材料(本例為鋁)。
[0022]作為本實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)包括振動梁2-1，該振動梁可在同一平面內(nèi)能夠沿著任意方向振動。本發(fā)明中振動能量采集器的振動梁為多方向振動，相對于單一方向的振動，能量采集效果高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。
[0023]作為本實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)，所述振動梁包括第一振動梁2-11和與第一振動梁固定連接的第二振動梁2-12，所述第二振動梁的橫截面積小于第一振動梁的橫截面。所述換能器設(shè)置在第一振動梁的末端。與此同時，所述移動固定端上設(shè)置有第一盲孔，第二振動梁部分伸入第一盲孔內(nèi)并與該盲孔連接。
[0024]作為本實(shí)施例的另一種結(jié)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)還包括振動梁固定端2-2，所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括移動固定端，所述振動梁固定端固定在移動固定端上，所述振動梁固定端上設(shè)置有第二盲孔，所述振動梁包括第一振動梁和與第一振動梁連接的第二振動梁，所述第二振動梁的橫截面積小于第一振動梁的橫截面積，所述第二振動梁部分伸入第二盲孔內(nèi)。
[0025]所述第一或/和第二振動梁為長方體狀，也可以為圓柱狀，其具體形狀不作進(jìn)一步限定。
[0026]作為本實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形海爾貝克陣列機(jī)構(gòu)包括環(huán)形海爾貝克陣列4-1和陣列固定件4-2組成。陣列固定件通過螺絲和底座1-1固定，環(huán)形海爾貝克陣列4-1嵌入在陣列固定件4-2內(nèi)部。
[0027]作為本實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)，所述換能器3采用線圈，通過換能器3的內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，換能器3中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械振動能到電能的轉(zhuǎn)換。
[0028]作為本實(shí)施例的另一種結(jié)構(gòu)，所述換能器3采用磁電換能器，如圖5所示，在壓電材料層3-2的兩側(cè)分別復(fù)合磁致伸縮材料層3-1和3-3，形成“夾心結(jié)構(gòu)”。換能器所處的磁場發(fā)生變化，會導(dǎo)致磁電換能器中的磁致伸縮材料層和發(fā)生相應(yīng)形變，該形變傳遞到磁電換能器中的壓電材料層，由于壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電輸出，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)-磁-電的轉(zhuǎn)換。
[0029]綜上所述，本發(fā)明所涉及的振動能量采集器具有能量采集效率高、體積小、工作頻率低等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0030]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，包括支撐底座機(jī)構(gòu)、振動梁機(jī)構(gòu)、換能器和磁路機(jī)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)和磁路機(jī)構(gòu)分別與支撐底座機(jī)構(gòu)連接，所述換能器設(shè)置于振動梁機(jī)構(gòu)的末端，其特征在于:所述磁路機(jī)構(gòu)為環(huán)形海爾貝克陣列機(jī)構(gòu)，所述換能器設(shè)置于磁路機(jī)構(gòu)的磁場空間內(nèi)；當(dāng)能量采集器在感受到外部環(huán)境中的振動時，換能器在磁場空間內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生電輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:在沒有感受到外部環(huán)境中的振動時，所述換能器位于磁場空間的中心位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述振動梁機(jī)構(gòu)包括振動梁，所述振動梁的一端與支撐底座機(jī)構(gòu)固定連接，另一端與換能器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述振動梁可在同一平面內(nèi)能夠沿著任意方向振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述振動梁包括第一振動梁和與第一振動梁連接的第二振動梁，所述第二振動梁的橫截面積小于第一振動梁的橫截面積；所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括移動固定端，所述移動固定端上設(shè)置有第一盲孔，所述第二振動梁部分伸入第一盲孔內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述振動梁機(jī)構(gòu)還包括振動梁固定端，所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括移動固定端，所述振動梁固定端固定在移動固定端上，所述振動梁固定端上設(shè)置有第二盲孔，所述振動梁包括第一振動梁和與第一振動梁連接的第二振動梁，所述第二振動梁的橫截面積小于第一振動梁的橫截面積，所述第二振動梁部分伸入第二盲孔內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述支撐底座機(jī)構(gòu)包括底座，所述底座上設(shè)置有滑軌，所述移動固定端與底座滑動連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述換能器包括線圈筒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，其特征在于:所述換能器包括壓電材料層和復(fù)合于壓電材料層兩側(cè)的磁致伸縮材料層。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于環(huán)形海爾貝克陣列的多方向振動能量采集器，包括支撐底座機(jī)構(gòu)、振動梁機(jī)構(gòu)、換能器和磁路機(jī)構(gòu)，所述振動梁機(jī)構(gòu)和磁路機(jī)構(gòu)與支撐底座機(jī)構(gòu)連接，所述換能器設(shè)置于振動梁機(jī)構(gòu)的一端，其特征在于：所述磁路機(jī)構(gòu)為環(huán)形海爾貝克陣列機(jī)構(gòu)，所述換能器設(shè)置于磁路機(jī)構(gòu)的磁場空間內(nèi)；當(dāng)能量采集器在感受到外部環(huán)境中的振動時，換能器在磁場空間內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生電輸出。本發(fā)明中環(huán)形海爾貝克陣列的外部的磁場強(qiáng)度基本為零，陣列不會對振動能量采集器的周圍環(huán)境中的電子元件產(chǎn)生電磁干擾，這在總體上減小了能量采集器的體積。
【IPC分類】H02N2-18
【公開號】CN104811091
【申請?zhí)枴緾N201510255516
【發(fā)明人】邱景, 劉鑫, 文玉梅, 李平, 陳恒佳, 徐曉玉
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月19日