一种多方向电磁式微振动能量采集装置的制作方法

本实用新型涉及微能量采集技术领域，具体为一种多方向电磁式微振动能量采集装置。

背景技术：

随着物联网技术的日渐成熟，无线传感网络等嵌入式器件遍布城市各处，而中国首款嵌入式神经网路处理器(NPU)的晶片诞生，标志着物联网正式进入智能时代。而无线传感网络节点及其他嵌入式器件以其低成本、分布式、低功耗和自组织等特点得到了迅速广泛应用，不仅加速了管网与水利设施智能化，交通设施和能源智能化；还大大推动了政务、交通、城管、环保、市政与安全，办理市民卡，远程急救，电子病历等城市建设项目。但当前物联网发展遇到了一些技术瓶颈，除了相关节点数量众多难以维护外，最重要的便是节点的供电问题。传统的节点供电基本采用化学电源或者直接连接外电源进行供电，但是无线传感网络的分布一般是比较复杂或者条件苛刻，有些无线传感节点一次性植入环境中之后基本无法更换化学电源(类似于汽车轮胎的胎压传感装置)，而自身携带的电能是有限的，一旦耗尽，该节点就只能废弃，这将对整个传感网络产生不良影响，造成了资源浪费。因此，最大程度的为无线传感网络节点供电成为有效延长节点使用寿命的重要途径。

当前技术中，延长器件的供电时间最直接的办法是增加化学电源的容量，但化学电源终究有不能无限的满足器件供电。而基于微振动能量采集装置的供电技术，可有效的直接从器件所在的环境中采集广泛存在的微振动能量转换为电能供给器件使用。目前国内外研究的振动能量采集装置按其收集原理，主要可以分成三类：静电式、压电式、电磁式。对于静电式发电机，由于需要外加电压源或电荷源，限制了其应用，一般研究相对较少，因此没有很大的研究进展。压电式能量采集器输出电压相对较高，但压电材料相对比较脆且容易疲劳，且输出阻抗高。而电磁式振动能量采集装置是基于法拉第电磁感应定律。当外界发生振动时，磁铁与线圈发生相对运动致使通过线圈的磁通量发生变化，进行能量转换。而电磁式能量采集系统输出电流功率大、对材料没有硬性要求，同时无需要启动电压，经济效益高以及能适应宽频等特点，得到了较大发展。但是现阶段国内外研制的众多类型电磁式能量采集装置主要集中于单一方向的振动能量采集。而器件所在的环境中振动往往非常复杂，具有随机性、振动方向不确定性，因此无法很好的采集复杂环境中的多方向振动能量。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种多方向电磁式微振动能量采集装置，这种采集装置可有效提高电磁式能量采集装置对环境中微振动能量的俘获效率，以方便将其用于无线传感网络等微功耗器件供电，来解决上述背景技术中的缺点。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种多方向电磁式微振动能量采集装置，包括封装外壳以及成型在封装外壳内的可调悬臂梁、动磁铁以及线圈，该可调悬臂梁采用弹簧作为悬臂梁梁体，以保证多方向弯曲程度一致，有效采集环境中多方向振动；所述动磁铁为横向充磁磁铁且与可调悬臂梁的端面相连接；而所述线圈为圆环型线圈绕组，分别安装在动磁铁两侧。

作为本实用新型的进一步改进：

所述悬臂梁梁体两端分别通过可调螺杆固定在封装外壳上，通过调节螺杆调节弹簧悬臂梁振动的有效长度，从而改变悬臂梁的谐振频率。

所述动磁铁可以由单一磁铁组成，或两块以上磁铁以任意方式组合而成。

所述动磁铁设置于线圈内部。

所述动磁铁在固定后与线圈边缘平齐。

有益效果：本实用新型一种多方向电磁式微振动能量采集装置，可高效率俘获复杂环境中多放向振动能量并转换成为电能。且本实用新型提供的多方向电磁式微振动能量采集装置加工工艺简单、环境适应性强，便于规模化应用。

附图说明

图1是具体实施1多方向电磁式微振动能量采集装置的结构示意图。

图2是多方向电磁式微振动能量采集装置的线圈绕组示意图。

图3是具体实施2的多方向电磁式微振动能量采集装置工作原理示意图。

图4是具体实施2的多方向电磁式微振动能量采集装置结构示意图。

图5是具体实施2的多方向电磁式微振动能量采集装置安装示意图。

图6是具体实施2的多方向电磁式微振动能量采集装置的线圈夹板安装示意图。

图7是多方向电磁式微振动能量采集装置的具体工作流图。

图8是多方向电磁式微振动能量采集装置在微振动下输出电压与外界振动频率关系图。

在上述图示中，各标号分别表示：1a、第一封装外壳；1c、第二封装外壳；2a、调节螺杆；3a、可调弹簧悬臂梁；4a、第一线圈、5a、动磁铁；6a、第二线圈；7a、调节侧紧固板；9a、封装引脚；11a、线圈侧紧固板；12、螺帽；13、紧固螺杆；14、第一线圈夹板；15、第二线圈夹板；16、第三线圈夹板；1b、第一线圈保护壳；1d、第二线圈保护壳；18、圆形调节头。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

实施例一：

如图1所示，本实施例一种多方向电磁式微振动能量采集装置由第一封装外壳1a，调节侧紧固板7a、线圈侧紧固板11a以及封装引脚9a，可调弹簧悬臂梁3a、动磁铁5a、第一线圈4a、第二线圈6a组成；可调弹簧悬臂梁3a使用弹簧作为悬臂梁梁体，可以保证悬臂梁多方向弯曲程度一致，弹簧起始端通过可调螺杆2a固定在封装外壳1a上，可通过调节螺杆2a以及圆形调节头18改变可调弹簧悬臂梁3a长度进而改变悬臂谐振频率。可调弹簧悬臂梁3a另一端与动磁铁5a相连接。第一线圈4a、第二线圈6a为圆环形电磁线圈，分组固定在动磁铁5a两端，第二线圈6a直接固定在第一封装壳体1a表面，第一线圈4a穿过弹簧固定在动磁铁5a另一侧，第一线圈4a、第二线圈6a通过并联或者串联改变装置输出电压或电流大小。

在实施例一中，可调弹簧悬臂梁3a采用尺寸规格为0.6×5×30mm，通过调节螺杆2a固定在调节侧紧固板上，且可调弹簧悬臂梁3a穿过第一线圈4a的线圈绕组。动磁铁5a采用两块规格为12×4mm圆柱形稀土永磁体组合而成，第一线圈4a、第二线圈6a采用0.12mm漆包线绕制，尺寸为14mm×19mm×3mm，如图2所示。第一线圈4a右端、第二线圈6a左端与动磁铁5a边缘相齐平，线圈绕组之间连接方式采用串联。第一封装外壳1a整体尺寸为40×20×20mm，材料为6061铝。封装外壳上设置长度为5mm的封装引脚9a，方便焊接于电路PCB板上。

可调弹簧悬臂梁3a以及动磁铁5a组成拾振系统，当外界发生振动时，动磁铁5a也会随着外界振动而做微小振动，与第一线圈4a以及第二线圈6a的线圈绕组发生相对运动进而改变线圈中磁通量，从而在线圈中感应出电动势，当外界连接负载时产生电流。

实施例二：

参见图3～图6的实施例二的采集装置，在本实施例中，多方向电磁式微振动能量采集装置与实施方式1的多方向电磁式微振动能量采集装置大致相同，在实施方式1的基础上增加了第一线圈夹板14、第二线圈夹板15、第三线圈夹板16以及第一线圈保护壳1b、第二线圈保护壳1d。调整了多方向电磁式微振动能量采集装置的封装外形以及动磁铁5a、第一线圈4a以及第二线圈6a的线圈绕组以及可调弹簧悬臂梁3a的规格。在本实施例的图示中，与实施1功能相同的构成要素，标注相同的图标时依旧采用相同的附图标记。

本实施方式的图3与实施方式1一样具有第一封装外壳1a，调节侧紧固板7a、线圈侧紧固板11a以及封装引脚9a，可调弹簧悬臂梁3a、调节螺杆2a、动磁铁5a、第一线圈4a、第二线圈6a；此外，本实施方式还具有第一线圈夹板14、第二线圈夹板15、第三线圈夹板16、第一线圈保护壳1b、第二线圈保护壳1d以及紧固螺杆13等。

在图4为具体实施2的多方向电磁式微振动能量采集装置结构示意图，可调弹簧悬臂梁3a采用尺寸规格为0.4×6×35mm，通过调节螺杆2a固定在调节侧紧固板7a上，可调弹簧悬臂梁3a穿过第一线圈4a的线圈绕组。而动磁铁5a采用三块规格为10×3mm圆柱形稀土永磁体组合而成，第一线圈4a、第二线圈6a采用0.18mm漆包线绕制，尺寸为12mm×18mm×2.5mm。第一线圈4a右端、第二线圈6a左端与动磁铁5a边缘相齐平，且在第一线圈4a与第二线圈6a的线圈绕组之间连接方式采用串联。调节侧紧固板7a、线圈侧紧固板11a采用1mm厚的5052铝板加工制作，第一线圈夹板14、第二线圈夹板15和第三线圈夹板16采用0.5mm厚的5052铝板加工制作。

图6表示多方向电磁式微振动能量采集装置的线圈夹板安装示意图，即第一线圈夹板14、第二线圈夹板15和第三线圈夹板16的安装示意图，该安装结构可有效保护第一线圈4a以及第二线圈6a的线圈绕组，且在第一线圈夹板14、第二线圈夹板15和第三线圈夹板16的表层均覆盖有绝缘层，这些线圈夹板的连接紧固采用304材质的M2螺杆连接。第一封装外壳1a、第二封装外壳1c采用5052材质圆筒形铝合金作为支撑保护，且通过封装引脚9a可有效将装置焊接于电路PCB板上，通过线圈绕组引脚之间的串、并联从而有效改变装置直接输出的交流电的电压幅值或者输出电流。

图7为本装置后续电能电路处理流程图，当外界发生复杂振动时，动磁铁与线圈绕组发生相对运动，线圈中将产生感应电动势，当外界接通用电负载时，从而有效将环境中振动能量转换成为可供使用的电能。

图8为多方向电磁式微振动能量采集装置在微振动下输出电压与外界振动频率关系，横轴为外界振动频率，纵轴为输出电压的峰峰值，表明装置在低频下能够有效采集环境中振动能量

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是在不脱离本实用新型思想的前提下，在技术方案基础上所做的任何替代或者变型，均落入本实用新型保护范围之内。