低频振动电磁能量收集器的制作方法

本发明属于能量收集技术领域，更具体涉及一种低频振动电磁能量收集器。

背景技术：

振动是自然界一种基本物理现象。利用振动能转化为电能的方式用于能量收集有多种，例如压电式、电容式及电磁式等。其中电容式能量收集需要单独设置预充电源，压电式能量收集制工复杂。

对于电磁式收集方式，随着器件结构微型化致使器件固有频率极大增加，因此导致低频振动的能量收集，特别是低于60Hz的振动频率，存在能量收集产业化实现瓶颈。

因此急需一种技术方案能够有效的实现低频振动电磁式能量收集，同时制工和结构简单。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何有效的实现低频振动电磁式能量收集，同时制工和结构简单。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低频振动电磁能量收集器，所述低频振动电磁能量收集器包括能量收集器壳体、悬臂梁长板、悬臂梁短板、碰撞质量块、磁场产生件以及多匝线圈；

所述悬臂梁长板的一端固定于所述能量收集器壳体的一侧面的内表面，所述悬臂梁长板的另一端的固定有所述多匝线圈；所述悬臂梁短板的一端固定于固定所述悬臂梁长板的侧面的内表面，所述悬臂梁短板位于所述悬臂梁长板的正上方，并且所述悬臂梁短板与所述悬臂梁长板平行，所述悬臂梁短板的另一端的下板面固定有所述碰撞质量 块，所述碰撞质量块距离所述悬臂梁长板预定距离；所述磁场产生件固定与所述能量收集器壳体的内表面，并且所述多匝线圈运动时切割所述磁场产生件的磁感线；

振动环境提供振动激励给所述能量收集器壳体，所述悬臂梁短板随所述振动激励同时发生振动，所述碰撞质量块对所述悬臂梁长板的预定位置发生碰撞，使所述悬臂梁长板产生接近其本身固有频率的振动，所述多匝线圈以与所述悬臂梁长板相同的频率振动，切割磁感线，产生的电信号。

优选地，所述低频振动电磁能量收集器还包括导线，所述导线与所述多匝线圈连接，用于将所述多匝线圈产生的电信号导出。

优选地，所述低频振动电磁能量收集器还包括负载电阻，所述负载电阻通过所述导线与所述多匝线圈并联。

优选地，所述悬臂梁长板固定于其所在侧面的几何中心位置处。

优选地，所述悬臂梁长板的长度大于所述述悬臂梁短板的长度。

优选地，所述悬臂梁长板的固有频率大于所述悬臂梁短板的固有频率，所述悬臂梁短板的固有频率接近所述振动激励的频率。

优选地，所述悬臂梁长板的固有频率为中高频，所述振动激励的频率为低频。

优选地，所述磁场产生件包括两块永久磁铁块，所述两块永久磁铁块分别固定于所述能量收集器壳体的顶面的内表面和底面的内表面，并且所述两块永久磁铁块分别位于所述多匝线圈的正上方和正下方。

优选地，所述磁场产生件由一块以上的永久磁铁块叠加形成，所述磁场产生件固定于与固定所述悬臂梁长板的侧面相对的侧面的内表面上，并且所述磁场产生件与所述悬臂梁长板固定的位置相对应。

优选地，所述多匝线圈为圆形或矩形。

本发明提供了一种低频振动电磁能量收集器，本发明的电磁能量收集器实现了低频振动模态向中高频振动模态转化接近其中悬臂梁长板的固有振动频率，同时结合运动的多匝线圈切割磁感线产生电信号， 实现低频振动电磁式能量收集，并且通过碰撞的方式来极大提高了电磁式悬臂梁结构的低频能量收集带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的结构示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的立体图；

图3为本发明的另一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的结构示意图；

图4为本发明的另一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的立体图；

图5A、5B为本发明的低频振动电磁能量收集器的多匝线圈的截面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种低频振动电磁能量收集器，如图1、2所示，所述低频振动电磁能量收集器包括能量收集器壳体1、悬臂梁长板2、悬臂梁短板10、碰撞质量块9、磁场产生件7和3以及多匝线圈8。所述悬臂梁长板2的一端固定于所述能量收集器壳体1的一侧面的内表面，所述悬臂梁长板2的另一端的固定有所述多匝线圈，优选地，多匝线圈固定于悬臂梁长板2的另一端的上板面；所述悬臂梁短板10的一端固定于固定所述悬臂梁长板2的侧面的内表面，所述悬臂梁短板10位于所述悬臂 梁长板2的正上方，即臂梁短板10固定于固定所述悬臂梁长板2的侧面的中心区域偏上的位置，并且所述悬臂梁短板10与所述悬臂梁长板2平行，所述悬臂梁短板10的另一端的下板面固定有所述碰撞质量块9，所述碰撞质量块9距离所述悬臂梁长板2预定距离，优选地，所述预定距离根据实际需要可进行调节；所述磁场产生件7和3固定与所述能量收集器壳体1的内表面，并且所述多匝线圈8运动时切割所述磁场产生件的磁感线，即多匝线圈8运动时，永久磁铁块3、7产生的电磁场需要切割于多匝线圈8的几何结构面。优选地，上述预定距离为微小距离。

振动环境提供振动激励给所述能量收集器壳体1，所述悬臂梁短板10随所述振动激励发生振动，此时所述悬臂梁长板2可能随壳体1的振动同时发生振动，也可能由于壳体1振动频率过低不能使悬臂梁长板2随着发生震动。所述碰撞质量块9随着悬臂梁短板10的振动而振动，从而对所述悬臂梁长板2的预定位置发生碰撞，使所述悬臂梁长板2产生接近其本身固有频率的振动，固定于悬臂梁长板2另一端的所述多匝线圈8以与所述悬臂梁长板2相同的频率振动，切割磁场产生件7、3产生的磁感线，产生的电信号，实现对低频振动能量的收集。产生的电信号可以存储，当然也可以直接接到用电装置上使用。其中，上述预定位置可以根据实际情况，通过调整悬臂梁长板2和悬臂梁短板10的长度进行调整。

上述电磁能量收集器实现了低频振动模态向中高频振动模态转化接近其中悬臂梁长板的固有振动频率，同时结合运动的多匝线圈切割磁感线产生电信号，实现低频振动电磁式能量收集，并且通过碰撞的方式来极大提高了电磁式悬臂梁结构的低频能量收集带宽。

进一步地，所述低频振动电磁能量收集器还包括导线4、6，所述导线4、6与所述多匝线圈8连接，用于将所述多匝线圈8产生的电信号导出。所述低频振动电磁能量收集器还包括负载电阻5，所述负载电阻5通过所述导线4、6与所述多匝线圈8并联，如图1所示。当没有 洛伦兹力耦合振动模态时，负载电阻5的阻值接近于多匝线圈8的电阻值时，收集的平均能量最大。

进一步地，所述悬臂梁长板2位于但不限于其所在侧面的几何中心位置处。只要悬臂梁长板2固定的位置可以很好地在悬臂梁短板10的作用下发发生振动即可。优选地，所述悬臂梁长板2的长度大于所述述悬臂梁短板10的长度。

进一步地，悬臂梁长板2的长、宽与厚尺寸依据实际需求来制定，当其尺寸越小，悬臂梁长板2的固有频率也就越高。悬臂梁长板2的存在目的是为多匝线圈8提供运动。悬臂梁短板10的长、宽与厚尺寸需依据外界环境频率及碰撞点来确定，悬臂梁短板10的目的是为碰撞质量块9提供低频振荡。悬臂梁长板2与悬臂梁短板10的空间需保持空间平行。

进一步地，所述悬臂梁长板2的固有频率大于所述悬臂梁短板10的固有频率，所述悬臂梁短板10的固有频率接近所述振动激励的频率。其中所述悬臂梁长板的固有频率为中高频，所述振动激励的频率为低频。这种设计可以使悬臂梁短板10在振动激励的作用下非常容易的开始振动，并且在悬臂梁短板10带动述碰撞质量块对悬臂梁长板2碰撞的情况下，使悬臂梁长板2容易发生与其固有频率近似的振动。上述中高频为频率为100Hz以上的频率，低频为频率为50-60Hz之间的频率。

进一步地，如图1所示，所述磁场产生件包括两块永久磁铁块7、3，所述两块永久磁铁块分别固定于所述能量收集器壳体的顶面的内表面和底面的内表面，并且所述两块永久磁铁块7、3分别位于所述多匝线圈8的正上方和正下方。永磁铁块7和永磁铁块3也可以位于壳体的内表面的其他地方，只要保证多匝线圈运动时切割永磁铁块7和用磁铁块3产生的磁感线即可。优选地，永磁铁块7的N极与永磁铁块3的S极相对，当然并不限于这种方式，例如，永磁铁块7的S极与永磁铁块3的N极相对、永磁铁块7的N极与永磁铁块3的N极相对、 永磁铁块7的S极与永磁铁块3的S极相对。当多匝线圈8受激做中高频纵向运动时，多匝线圈8上产生洛伦兹力会与悬臂梁长板2相互发生强耦合，其耦合的效果反作用于多匝线圈8纵向运动。

进一步地，如图5A、5B所示，所述多匝线圈的截面为圆形或矩形，但是并不限于圆形和矩形。

当此低频振动电磁式能量收集器安装在低频振动环境中或携带在人体时，环境或人体的振动通过碰撞质量块9撞击悬臂梁长板2，使悬臂梁长板2的自由端不停的纵向做中高频的振动，从而带动多匝线圈8亦做相同的中高频纵向运动，多匝线圈8处在永久磁铁3、7的空间磁场分布之中，因此多匝线圈8随之产生瞬态交流电流，瞬态交流电流随即输出到负载电阻5消耗，从而实现为各种电子器件或传感器提供电能。上述收集器采用电磁式原理，利用悬臂梁振动进行的能量收集结构，易获得较大的感应电流，且制作方便。另外，上述实施例通过双悬臂梁结构及洛伦兹力相互耦合，有效扩展能量收集频带，同时也可通过负载电阻值及多匝线圈电阻值调节，实现最大平均能量收集输出，从而大幅度提高能量转换效率。

图3为本发明的另一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的结构示意图；图4为本发明的另一个较佳实施例的低频振动电磁能量收集器的立体图。本实施例的所述低频振动电磁能量收集器包括能量收集器壳体11、悬臂梁长板12、悬臂梁短板20、碰撞质量块19、磁场产生件13、14以及多匝线圈18、导线15、17以及负载电阻16。

如图3、4所示的另一实施例的低频振动电磁能量收集器，磁场产生件由两块永久磁铁块13、14叠加形成，并且所述磁场产生件固定于与固定所述悬臂梁长板的侧面相对的侧面的内表面上，优选地，所述磁场产生件与所述悬臂梁长板固定的位置相对应。永磁铁块13和永磁铁块14也可以位于壳体的内表面的其他地方，只要保证多匝线圈18运动时切割永磁铁块13和用磁铁块14产生的磁感线即可。优选地，永磁铁块13的N极与永磁铁块14的S极接触，当然并不限于这种方 式，例如，永磁铁块13的S极与永磁铁块14的N极接触、永磁铁块13的N极与永磁铁块14的N极接触、永磁铁块13的S极与永磁铁块14的S极接触。当多匝线圈18受激做中高频纵向运动时，多匝线圈18上会产生横向的洛伦兹力，不与悬臂梁长板12发生耦合。

此实施例的低频振动电磁能量收集器的其他结构与上一实施例相同，这里不再赘述。

本发明的电磁式能量收集器，把周围环境中低频振动产生的机械能转化为电能。在低频振动激励下，低频振动的碰撞质量块会与悬臂梁长板特定位置发生碰撞，碰撞后的悬臂梁长板会产生中高频振动，带动固定在悬臂梁长板自由端的多匝线圈也会随之发生中高频的振动。由于多匝线圈处在永久磁铁产生的空间电磁场中，当多匝线圈发生切割磁感线运动时，会在多匝线圈内产生瞬态交变电流能量，可以输出至负载电阻消耗或储能单元储存。本发明的电磁式能量收集器实现了低频振动电磁式能量收集，不需像电容式能量收集器那样单独设置预充电源，也不需像压电式能量收集器那样制工复杂，实现了电磁式能量收集的无源化，并且制作工艺简单化，同时通过碰撞的方式来极大提高了电磁式悬臂梁结构的低频能量收集带宽。

本发明的收集器可用来给各种便携式电子器件、无线传感器及可穿戴器件等供电，摆脱电池供电的局限性。

上述两个实施例中，为保证悬臂梁长板2、12有足够的弹性形变，可优先选用铝作为悬臂梁长板2、12的材料，如果微制造需求更小尺寸，亦可使用硅作为悬臂梁长板2、12材料。为保证悬臂梁短板10、20有足够的弹性形变，可优先选用黄铜作为悬臂梁短板10、20的材料，如果微制造需求更小尺寸，可使用SU8或苯并环丁烯等作为悬臂梁短板10、20的材料。可用铜作为多匝线圈8、18的原材料，多匝线圈8、18的几何形状可制作成圆形或者矩形。可用铜作为碰撞质量块9、19的原材料，碰撞质量块9、19的下端可与悬臂梁长板2、12保持足够小的距离，空间距离根据需求的能量收集测算来确定。选用NdFeB永 久电磁铁块3、7、13、14，上下两块电磁铁块3、7的空间距离尽量保持合理范围；或左侧电磁铁块13、14与悬臂梁长板2、12自由端空间距离尽量保持合理范围。负载电阻5值应通过测算确定，测算方法依据器件的平均收集能量，负载电阻16值应与多匝线圈18电阻值接近。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。