电磁式碰振升频振动能量采集装置的制作方法

本发明涉及一种电磁式碰振升频振动能量采集装置。

背景技术：
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能量采集技术是一种非常有前途的清洁能源技术，是指使用环境能量向小型和移动的电气或电子设备提供电。通常情况下，这些设备都是依靠传统的电池来提供能量，但是传统电池存在的缺点在于：供能寿命有限，使用一段时间后要更换或者充电。对于放置在恶劣环境或者埋于结构内部的无线传感器而言，这是个很严重的制约条件。振动能量采集器件不受连接线的限制，且无需频繁更换，适合为传感网络的无线传感器供能。因此，振动能量采集器已成为可自我维持电源研究中的一大热点，在航空航天、武器装备、桥梁建筑等领域中具有较为广泛的应用价值与潜景。

振动能量采集器件的采集效率取决于振动幅值及共振频率两个要素。为实现高效能量采集，振动型能量采集器的设计需要其共振频率与环境振源频率相匹配，同时要求具有较宽的工作频带以适应振动源频率的随机变化。然而，环境中的振动能以低频为主(如航天柔性结构、舰载装备振动)，且具有随机性，频率波动很大。而传统的振动能量采集器谐振频率高、工作频带窄，因而不能有效地采集环境中的振动能。

技术实现要素：
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本发明提供一种电磁式碰振升频振动能量采集装置，以解决现有线性采集装置中无法兼顾高水平电能输出与低频工作环境及宽频采集带宽的瓶颈问题。

本发明采用如下技术方案：一种电磁式碰振升频振动能量采集装置，由低频驱动结构和高频采集结构两部分组成，所述低频驱动结构由第一定位套筒，第一T型端盖，第一圆柱形磁铁，第一圆环形磁铁，第一紧固螺纹套筒，低刚度弹簧，第一工字型凹槽圆柱以及第一铜线圈组成，所述第一工字型凹槽圆柱的中心处设有通孔，外表面上设有凹槽，所述第一铜线圈缠绕于第一工字型凹槽圆柱上的凹槽处，所述第一定位套筒与第一T型端盖为过盈配合装配，第一定位套筒的外侧面为螺纹设计，所述第一圆环形磁铁嵌套于第一定位套筒外圈且第一圆环形磁铁与第一定位套筒为间隙配合，并由第一紧固螺纹套筒旋紧固定，所述低频驱动结构中的第一T型端盖开设有第一环形沉槽，低刚度弹簧的一端与第一环形沉槽的内圈为过盈配合，同时由开口挡圈压紧，所述第一工字型凹槽圆柱上开设有第二环形沉槽，低刚度弹簧的另一端与第一工字型凹槽圆柱上的第二环形沉槽内圈过盈紧固，并同时由开口挡圈压紧，所述第一圆环形磁铁极性为S极，第一圆柱形磁铁极性为N极，所述高频采集结构由第二定位套筒，第二T型端盖，第二圆柱形磁铁，第二圆环形磁铁，第二紧固螺纹套筒，高刚度弹簧，第二工字型凹槽圆柱以及第二铜线圈，所述高频采集结构中上述结构之间的连接关系与低频驱动结构中的相同，所述高频采集结构的第二工字型凹槽圆柱上与低频驱动结构相对的端面粘有的弹性橡胶片，所述低频驱动结构与高频采集结构之间通过第一定位套筒与第二定位套筒之间的螺纹连接以达到连接，所述高频采集结构中的第二圆环形磁铁极性为N极，第二圆柱形磁铁极性为S极。

进一步地，所述低刚度弹簧的两端面磨平，以便于分别与第一环形沉槽以及第二环形沉槽贴合。

进一步地，所述第一圆柱形磁铁和第一圆环形磁铁的材料均为NdFeB材料。

进一步地，所述低刚度弹簧的材料为铍青铜。

进一步地，所述弹性橡胶片的厚度为1mm。

进一步地，所述电磁式碰振升频振动能量采集装置的整体直径为30-40mm，高为50-60mm。

本发明具有如下有益效果：

(1)低频驱动结构和高频采集结构通过碰撞耦合，当振动发生时，低频驱动结构中的振子处于共振状态，当振动强度足够或者碰撞间隙足够小时，第一工字型凹槽圆柱和弹性橡胶片将产生碰撞。这将驱动高频采集结构以其自身固有频率作高频振荡，或是产生高频周期振动。根据线性振动能量采集原理，振动能量的功率输出和频率的立方成正比，因此高频采集结构的高频大幅值的周期振动会使得有效的电能输出产生数量级的提升。

(2)低频驱动结构和高频采集结构通过第一定位套筒和第二定位套筒螺纹连接。碰撞间隙可通过螺纹旋进圈数方便调节，以适应不同振动环境需求，节约制作成本。

(3)本发明电磁式碰振升频振动能量采集装置的低频驱动结构和高频采集结构均具备振动采集功能。对于飞行器等实际工程结构，环境的振动条件并不单一，即使在振动强度较弱不足以使得碰撞发生的情形，本发明电磁式碰振升频振动能量采集装置也具备两个共振采集频带。其中，高频采集结构固有频率为低频驱动结构的两倍，且当设计二者固有频率分布在环境振动能量集中的频段时，本发明显然具备更宽的采集带宽。

(4)本发明结构简单，体积小，并且可以根据需求方便调节采集性能，节约制作成本，适用于航空航天，船舶、轨道交通、桥梁等工程领域的振动能量采集。

附图说明：

图1为本发明电磁式碰振升频振动能量采集装置的结构示意图。

图2为低频驱动结构中低刚度弹簧和第一T型端盖固定处的示意图。

具体实施方式：

本发明电磁式碰振升频振动能量采集装置由低频驱动结构和高频采集结构两部分组成，其中，低频驱动结构由第一定位套筒4，第一T型端盖1，第一圆柱形磁铁8，第一圆环形磁铁5，第一紧固螺纹套筒3，低刚度弹簧2，第一工字型凹槽圆柱6以及第一铜线圈7组成。第一工字型凹槽圆柱6的中心处设有通孔，外表面上设有凹槽，第一铜线圈7缠绕于第一工字型凹槽圆柱6上的凹槽处，第一铜线圈7在由第一圆柱形磁铁8和第一圆环形磁铁5共同形成的不均匀磁场中振动，从而产生电能输出。第一铜线圈7的圈数由发电性能要求决定，其材料为导电性能较好的铜材质。

低频驱动结构中第一定位套筒4与第一T型端盖1为过盈配合装配，第一定位套筒4的外侧面为螺纹设计。第一圆环形磁铁5嵌套于第一定位套筒4外圈且第一圆环形磁铁5与第一定位套筒4为间隙配合，并由第一紧固螺纹套筒3旋紧固定。

低频驱动结构1中的第一T型端盖1开设有第一环形沉槽19，低刚度弹簧2的一端与第一环形沉槽的内圈为过盈配合，同时由开口挡圈压紧。第一工字型凹槽圆柱6上开设有第二环形沉槽20，低刚度弹簧2的另一端与第一工字型凹槽圆柱6上的第二环形沉槽内圈过盈紧固，并同时由开口挡圈压紧。低刚度弹簧2的两端面磨平，便于分别与第一环形沉槽以及第二环形沉槽贴合。第一圆环形磁铁5嵌套于第一定位套筒4外圈，为间隙配合，并由第一紧固螺纹套筒3旋紧固定。第一圆柱形磁铁8和第一圆环形磁铁5的材料均为NdFeB材料，第一圆环形磁铁5极性为S极，第一圆柱形磁铁8极性为N极。低刚度弹簧2的材料为铍青铜，具有很高的弹性极限和疲劳极限，弹性滞后小，无磁性。

高频采集结构由第二定位套筒17，第二T型端盖18，第二圆柱形磁铁10，第二圆环形磁铁14，第二紧固螺纹套筒16，高刚度弹簧15，第二工字型凹槽圆柱12以及第二铜线圈13。高频采集结构中上述结构之间的连接关系与低频驱动结构中的相同，不同之处在于：高频采集结构的第二工字型凹槽圆柱12上与低频驱动结构相对的端面粘有1mm厚的弹性橡胶片9，可降低冲击噪声。低频驱动结构与高频采集结构之间通过第一定位套筒4与第二定位套筒17之间的螺纹连接达到连接效果，第一定位套筒4与第二定位套筒17螺纹连接后由螺纹挡圈11紧固，根据不同的环境需求，碰撞间隙可通过螺纹的旋进圈数方便调整，并由螺纹挡圈11反向紧固。其中高频采集结构中的第二圆环形磁铁14极性为N极，第二圆柱形磁铁10极性为S极。

本发明电磁式碰振升频振动能量采集装置的整体直径为30-40mm，高为50-60mm。

当电磁式碰振升频振动能量采集装置处于工作状态时，低频驱动结构中由低刚度弹簧2、第一工字型凹槽圆柱6以及第一铜线圈7组成的振子的固有频率与环境激励频率相等，因此处于共振状态，其将产生大幅值振动，当振动强度足够或者碰撞间隙足够小时，第一工字型凹槽圆柱6和弹性橡胶片9将产生碰撞，这将驱动高频采集结构以其自身固有频率作高频振荡，或是产生高频周期振动。这两种情形都将不同程度的提升振动能量采集的效能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。