一种多频率振动能量回收装置的制作方法

本发明属于振动能量回收装置技术领域，具体的说是一种将振动能量转换为电能的多频率振动能量回收装置。

背景技术：

随着现代工业的迅猛发展，环境污染和能源短缺是当今世界各国面临的两大难题，为了解决能源危机对经济发展和人们生活的影响，各国科技工作者开始探索新的绿色能源。能量回收是指获取外界能量并将其转换为可利用电能的过程。

在过去几年中，便携式设备、无线传感器及微机电系统MEMS快速发展，这些设备或传感器系统是便携式的或分布式的，因此需要自带电源。大部分情况下，这些电源就是常规的电池，但是电池电能和使用寿命都是有限的。对这些设备来说，更换电池会产生很多不方便；另外，电池含有重金属，废旧电池处理不当会造成严重的环境污染。这就迫切需要这些系统自身能产生电能供自己使用。虽然环境中采集的能量通常比较小，但是随着电子技术的高速发展，电子产品的集成化在不断的提高同时功耗在不断的降低，因此环境中回收的能量对于微功耗系统而言已经足够。

获取外界能量主要有以下几种能量采集来源：太阳能，振动能，噪声，温度梯度。其中振动作为人们日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度1年使用期的功能密度为100-200μW/cm3，因此从周围环境的振动中回收能量无疑是一种最方便、最具有潜力的方式。

目前振动能量回收技术研究主要有三种方式：静电式electrostatic、电磁式electromagnetic和压电式piezoelectric，其中电磁式能量回收装置工作时遵循的基本原理是法拉第电磁感应定律：当穿过闭合回路一般为线圈所围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势。由此将环境振动的机械能转变为电能。根据振动部件的不同，可以把电磁式振动能量回收装置分为动铁磁铁振动、动圈线圈振动、和铁圈同振磁铁线圈共同振动三种类型。

浙江工业大学研发的电磁式振动发电装置201210499462.3，包括外壳、振子、感应线圈、磁轭和支架，该发明的主要优点是利用了多齿结构使线圈磁通变化频率远高于振子的振动频率，提高了发电效率。

江苏大学研发出一种发电功率可调的电磁式振动能量收集器201410016971.5，包括能量转换装置、导轨、质量块和磁铁。通过旋动可调平台的旋钮调节能量转换装置与被动磁铁间的距离，从而调节驱动磁铁和被动磁铁间作用力的大小，使被动磁铁的振动幅度发生变化，从而达到调节发电功率的目的。该装置的优点是使发电功率可调，解决了大部分振动能量收集器发电功率单一的问题。

河北工业大学研发的一种电磁式振动发电机201310444325.4，核心部件为磁轭，振动轴，轴毂。实验表明该发电机在频率为10Hz，振幅为10mm时，输出电压峰值为6V。

基于以上分析，现有的振动能量采集装置，其拾振机构只收集固有频率附近的振动，远离固有频率的振动获取能力弱。而环境振动通常是由一系列不同频率的振动信号组成。本发明针对现有的振动能量回收结构只对单一频率敏感等缺陷，提供一种能在不同频率下均使系统具有优异效果的能量回收结构，本案由此产生。

技术实现要素：

本发明提供了一种多频率振动能量回收装置，此种装置能保证在环境的几种典型振动频率中高效率的收集振动能量，解决了现有振动能量回收结构只对单一频率敏感等缺陷。

本发明技术方案结合附图说明如下：一种多频率振动能量回收装置，该回收装置包括磁电转换部分和能量收集部分；其中所述的磁电转换部分包括外壳1、拉伸弹簧2、质量块3、电感线圈4；所述的能量收集部分包括电能存储电路5；所述的外壳1为一矩形中空的壳体，内部均匀设置有多个空腔；其中每个空腔内设置有一个拉伸弹簧2；所述的拉伸弹簧2设置于外壳1的内部，其中一端固定在外壳1内侧的上部，另一端与质量块3相连；所述的电感线圈4设置在外壳1的空腔内，质量块3的外面；所述的质量块3内部有永磁体6，质量块3和永磁体6在电感线圈4内部振动。

所述的电感线圈4包括电感线圈骨架9、电感线圈磁芯7和漆包线8；其中所述的电感线圈骨架9固定在空腔的内部，中间有通孔；所述的电感线圈磁芯7设置在电感线圈骨架9的内部并且与通孔过盈配合；所述的漆包线8绕在电感线圈骨架9上。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的一种多频率振动能量回收装置采用改变系统拉伸弹簧参数、改变质量块质量的方式去控制系统固有频率，从而使装置在环境的不同典型振动频率下达到共振，以此来解决已有装置工作频率单一的问题；

2.本发明所述的一种多频率振动能量回收装置可以简化为单自由度的弹簧-质量块-阻尼振动模型，装置结构简单，且分析方法简便，使用时不易出现复杂故障；

3.本发明所述的一种多频率振动能量回收装置主要包括磁电转换和电能收集两部分，将磁电转换部分收集的振动能量储存到蓄电池中，以此解决发电量较小时传统振动能量收集装置不能使微机电系统工作的问题。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为本发明的原理图；

图4为本发明中的质量块的剖视图；

图5为本发明中的电感线圈结构示意图；

图6为本发明中的储能电路原理图。

图中：1、外壳；2、拉伸弹簧；3、质量块；4、电感线圈；5、电能存储电路；6、永磁体；7、电感线圈磁芯；8、漆包线；9、电感线圈骨架。

具体实施方式

参阅图1—图2，一种多频率振动能量回收装置，该回收装置包括磁电转换部分和能量收集部分；其中所述的磁电转换部分包括外壳1、拉伸弹簧2、质量块3、电感线圈4；所述的能量收集部分包括电能存储电路5；所述的外壳1内部均匀设置有多个空腔；其中每个空腔内设置有一个拉伸弹簧2；所述的拉伸弹簧2设置于外壳1的内部，其中一端固定在外壳1内侧的上部，另一端与质量块3相连；所述的电感线圈4设置在质量块3的外面；所述的质量块3内部有永磁体6，质量块3和永磁体6在电感线圈4内部振动。

所述的电感线圈4包括电感线圈骨架9、电感线圈磁芯7和漆包线8；其中所述的电感线圈骨架9固定在空腔的内部，中间有通孔；所述的电感线圈磁芯7设置在电感线圈骨架9的内部并且与通孔过盈配合；所述的漆包线8绕在电感线圈骨架9上。

所述的外壳1为中空的立体结构，外壳1的尺寸要根据电感线圈4中电感线圈骨架9、电感线圈磁芯7和漆包线8的匝数确定，在本实施例中，最终设计整体尺寸为248mm×60mm×60mm。所述的质量块3位于外壳1的每个空腔中，并通过拉伸弹簧2与外壳1相连。拉伸弹簧2及质量块3的数目与外壳空腔的数目相等。外壳空腔数目要根据本装置放置环境的典型振动频率数目确定，在本实例中，设计为具有四个空腔的中空立体结构。

本发明所述的一种多频率振动能量回收装置可以简化为单自由度的弹簧-质量块-阻尼系统振动模型，即由外界基础运动引起的强迫振动，通过电磁感应将质量块3的动能转变成电能。当质量块3在外界激励下振动时，相当于置于质量块3内部的永磁体6随着环境的振动以一定的频率发生往复运动，即与电感线圈4发生相对运动。根据法拉第电磁感应定律：当穿过闭合回路(一般为线圈)所围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势。感应电动势可以表示为：

其中U_e代表感应电动势，单位为V；N_e表示组成闭合回路的线圈匝数；是穿过每匝线圈的磁通量，单位为Wb；B是磁感应强度，单位为T；是线圈的面积矢量；t是时间，单位为s。

参阅图3，磁铁在外部振动时的响应可以由弹簧-质量块-阻尼系统来表示，永磁体6置于质量块3内，设质量块为m，B为磁感应强度，k为弹簧的刚度系数，L为线圈电感，线圈内阻为Rc，线圈长度为l，负载电阻为R_L。壳体1随外界环境的振动位移y(t)和振动频率的大小将会引起质量块3的振动位移x(t)，从而影响系统的输出电压和功率。设弹簧-质量块-阻尼系统的振动位移为f(t)。由牛顿定律可知系统在任意激励下的受迫振动微分方程为：

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

式中，x(t)＝Acos(ωt+θ)为质量块3(即永磁体6)的振动位移函数，c为系统的阻尼系数。

在初始条件为零时，对其进行拉普拉斯变换，得到其传递函数为：

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

根据电压原理可得：

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

式中I(t)为感应电流随时间的变化函数。

由(5)可得到振动装置的感应电压为：

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

因此，从永磁体5的相对运动到输出电压的传递函数可以表示为：

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

电磁线圈4中的感应电流产生的反馈为：

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

结合(3)、(4)、(6)、(7)式，可得出系统的传递函数为：

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

经过拉氏变换后，可以得到振荡环节的传递函数为：

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

式中，当时为振荡环节。

阻尼系数可以分解为机械阻尼系数和电气阻尼系数其中：

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

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

因此，系统总的传递函数变为：

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

即输出电压可以看作为是一个正弦输入信号的函数。因为输出功率为：

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

得到平均功率为：

$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，在共振频率处，ω＝ω_n，输出的平均功率和输出电压值达到最大:

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

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

系统的运动方程可以用这个数学模型来描述，对所给的外部振动模态进行分析，即可最优设计系统的最大输出功率。

由以上分析可知，本装置的设计应保证装置的固有频率接近环境的典型振动频率，使装置与环境达到共振，使能量回收效率最高。在本发明所述的能量回收装置中，则需要保证每个弹簧-质量块单元的固有频率接近环境的一种典型振动频率，以此保证在外界环境的每种典型振动情况下，都有至少一个单元与环境发生共振。环境的典型频率可以简单由实验测得。弹簧的固有频率可由以下公式计算：

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

其中，f为弹簧的固有频率，单位为Hz；k为弹簧的刚度系数，单位为N/m；m为系统质量，单位为kg。

而拉伸弹簧的刚度系数k则可由以下公式得出：

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

其中，G为线材的刚性模数，常见的线材有碳钢丝G＝79300，不锈钢丝G＝697300，磷青铜线G＝4500，黄铜线G＝350；d为线径，D_m为弹簧中径，N_C为弹簧有效圈数。

由以上两式即可根据外界环境的振动频率，选择合适的弹簧或合理设计符合装置放置环境要求的弹簧。

参阅图3，质量块3为软磁材料制成的立方体结构，其内部放置圆柱体或长方体形状的永磁体6。软磁材料是指磁化发生在矫顽力不大于1000A/m的磁化材料，其主要性能参数包括磁导率、饱和磁感应强度和矫顽力。磁导率决定了材料传递磁力线的能力，是比较重要的参数之一。本装置中质量块3除了受外界激励产生振动，还起着传导磁力线的作用，因此选用低矫顽力、高磁导率特点的材料，而软磁材料则具备以上两个特点，如纯铁(密度为7.86g/cm3)。

本发明装置中的磁场由永磁体6产生，永磁体特性的主要参数有磁能积、矫顽力、剩余磁感应强度三项。其中，磁能积代表了永磁体在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量。磁能积越大，则储存在单位体积内的磁能也越大，材料性能越好；矫顽力是指使磁化至技术饱和的永磁体磁感应强度降低到零所需要加的反向磁场强度，矫顽力越大，永磁性就越好；剩余磁感应强度是指永磁体经磁化至技术饱和并去掉外磁场后，所保留的磁感应强度。参数数值越大表明永磁材料的性能越好。永磁体包括磁钢、铁氧体和稀土永磁体。其中，磁钢的优点是不受温度影响，可用于高温环境，同时它的耐腐蚀性比较好，因此具有较长的使用寿命，其最大磁能积仅次于稀土永磁体。而铁氧体的性能相比其他两种永磁体而言是比较差的，但是由于其成本低廉，也被广泛应用。相比其他两种永磁材料，稀土永磁材料是具有高磁能积、高矫顽力、高剩余磁感应强度磁性材料，其中的钕铁硼系列永磁体最大磁能积可达398KJ/m3，剩余磁感应强度可达1.47T，是目前磁性最高的永磁材料。在相同体积下，稀土永磁体的磁场强度最大，因此常常成为振动能量装置的首选，同时由于它的矫顽力比较高，不会因为装置的振动而退磁，因此，本装置选用稀土永磁体作为永磁体6的材料，确定以NdFe35作为永磁材料，材料密度为7.5g/cm3。本装置中设计质量块尺寸为边长10mm的立方体，永磁体材料为半径4mm、长10mm的圆柱体，如图3所示置于质量块内部。

参阅图3，质量块3及其内部的永磁体6在电感线圈4内部振动，因此电感线圈4选用空心线圈结构。

参阅图5电感线圈结构，磁芯7和骨架9均选用空心结构，磁芯7的外径应与骨架9空心处直径相符，以便将磁芯7置于骨架9内。漆包线8作为绕组绕在骨架9上。

首先根据工作频率，选用线圈的导线：工作于低频段的电感线圈，一般采用漆包线等带绝缘的导线绕制。工作频率高于几万赫兹而低于2MHz的电路中，采用多股绝缘的导线绕制线圈，这样可有效地增加导体的表面积，从而可以克服集肤效应的影响。在频率高于2MHz的电路中，电感线圈应采用单根粗导线绕制，导线的直径一般为0.3mm－1.5mm。因此本发明装置选用漆包线作为线圈导线材料。在各种导体中，铜的导电性仅次于银，软铜电阻率在各种铜材中最低，在20℃时的直流电阻率为0.017241Ω·mm2/m，其介电常数ε＝ε₀＝8.85×10^-12F/m，电导率γ＝5.80×10⁷S/m，漆包线的线径越大，长度越短，其直流电阻越小。

选用优质的骨架，可以减小介质损耗，如选用高频瓷材料作为骨架。在线圈的内部放入磁芯，可以减少线圈的圈数，即减小其电阻值，还可以提高它的电感量，而且缩小了线圈的体积。磁芯材料可选用高导磁环形磁芯MnZn，其初始磁导率越高，工作频率就越高。结构中胶带的作用则是作为每层绕组之间的绝缘，并固定磁芯和导线。骨架尺寸则应保证拉伸弹簧2可带动质量块3在磁芯内的运动不受阻碍。如本装置中确定质量块3的尺寸后，即可选用两边墙板圆直径50mm，空心直径20mm，高度25mm的骨架。由此尺寸则可进一步确定出外壳1尺寸。外壳1的空腔中放置电感线圈4，即空腔宽度部分应稍大于线圈骨架墙板圆直径50mm，空腔长度部分应大于线圈骨架高度且留出可调整电感线圈4位置的空隙，如每个空腔宽度为52mm，长度为50mm，外壳厚度为5mm，则外壳1的整体尺寸为248mm×60mm×60mm。

电感线圈4需要有两个绕组，初级绕组和次级绕组。初级线圈输出的电能通过后序电路中的电感进行存储，次级线圈输出的电能为电路芯片提供能量。线圈匝数的设计，需要考虑后电路中芯片所需电压的大小。线圈电感量的大小则主要取决于线圈匝数、几何形状，以及线圈结构尺寸，如绕组长度、直径、厚度等。

由(14)、(15)、(16)三式可知，线圈的内阻直接影响到输出电压和功率的大小，所以在设计时应尽量减小内阻。按照电阻计算公式：

R＝ρl/S (19)

其中ρ为材料的电阻系数，单位为Ω·m；l_R为电阻长度，单位为m；S为电阻横截面积，单位为m²。

绕组线圈的长度和横截面积为：

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

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

则绕组线圈的电阻为：

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

其中，d₀为螺旋线圈的外径，单位为m；d₁为螺旋线圈的内径，单位为m；w₀为线圈横截面积的长度，单位为m；w₁为线圈横截面积的厚度，单位为m；μ为占空比。

线圈匝数：

螺旋线圈的电感工程近似计算为：

其中，改变线圈的外径d₀及线圈匝数N，可以计算出线圈外径以及线圈匝数与电感量的关系。

磁电转换部分产生的电能相对较小，不能直接为大部分电路提供驱动能量，因此需要进行电量的存储。收集电磁式振动产生电量的方法主要有通过电容/电感收集产生的振动能量和利用可重复充电的电池两种。本装置中整个结构不借助外部能源供电，只依靠磁电转换部分产生的电量来驱动电路正常工作。

参阅图6，其中储能电路中的开关S用于输入端电源开关，Ls为超导储能线圈，二极管D起续流作用，S2为电感放电控制开关，S3在充电和放电时接通，电感Lf和电容Cf为滤波电感，Rl为系统负载。开关S1有两个作用：充电和储能时用于构成电流通路及放电时用于分流，以实现恒流或恒压控制。在工作时，电路有三种运行状态：充电状态；储能状态；放电状态。充电时，开关S接通电源，S1闭合，S2断开，S3断开。储能时，S断开与电源的联系，S1仍然接通，S2断开，S3闭合。

上述实例中，本发明装置的质量块尺寸、电感线圈骨架尺寸在实际应用中均为可变参数。由以上说明可知本实例中装置整体尺寸仅为248mm×60mm×60mm，满足结构的微型化要求。由于尺寸限制，本装置仅适用于回收环境中10-200Hz的低频振动。它可以应用于各种大型机械机座或者振动元件、汽车发动机、搅拌机、洗衣机以及各种微结构中的低频振动能量回收，为微机电系统或无线传感器提供电能。