一种具备升频技术的双稳态多模式振动能量采集器的制作方法

本发明属于能量采集技术领域，具体涉及一种具备升频技术的双稳态多模式振动能量采集器。

背景技术：

近年来，以便携式通信系统、无线传感器网络为代表的低功耗电子技术取得了长足的发展，在人们的日常生产活动中发挥着日益重要的作用。考虑到很多无线传感器都工作在传统电力网络不能直接提供电能的区域，而采用电池供电又无法实现“永久化”的长效运行模式，这就导致供电系统的局限成为制约这些设备进一步广泛应用的瓶颈，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。

电磁式振动能量收集技术是利用法拉第电磁感应定律将自然界中大量存在的振动机械能转化为电能的能量收集装置。依据法拉利电磁感应定律可以知道，导体线圈回路面积内的磁通量发生变化时，该线圈回路中就会产生感应电动势，从而在线圈中产生感应电流向外输出电能，最终实现从机械能到电能的转化。

依据上述的工作原理，电磁式振动能量收集技术就是将外界环境中随机产生的机械振动转化为线圈回路或者永磁体的运动，实现线圈和永磁体之间的相对运动，从而使线圈内的磁通量发生变化，线圈中产生相应的感应电动势。

在应用电磁式振动能量收集技术时，振动能量的采集效率取决于共振频率及振动幅值两个要素，为实现高效能量采集，振动能量采集器的共振频率需与外界振动频率相匹配，但是环境中的振动以低频为主，而传统的振动能量采集器共振频率高，不能有效地采集环境中的振动能，在弱强度振动环境中，存在采集能效不高的问题。目前所知的多稳态振动能量采集器多是利用磁力的非线性来获得大幅阱间运动，只能通过改变磁铁的大小与分布位置来改变多稳态运动的势垒高度，但是磁铁大小与分布位置关乎输出能量的高低，再者由于磁力的复杂性和本质非线性，这种粗放的调整方式限制了采集器输出性能的进一步优化。因此，开发能够充分利用磁场性能，拥有更高功率密度的振动能量采集器是十分必要的。

上述现有技术存在以下缺点；

1、现有技术谐振频率较高、势阱较深，无法采集环境中的低频振动能量；

2、能量转化率低，采集效率不高；

3、适用范围窄，灵活程度低，调解困难，无法进一步优化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具备升频技术的双稳态多模式振动能量采集器，该振动能量采集器提供了一种能够低频采集高频收集具有小幅激励下产生大幅阱间运动的潜力且可同时在两种采集模式下工作的振动能量采集器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具备升频技术的双稳态多模式振动能量采集器，其特征在于，包括：线圈装置，永磁铁装置，振动调节装置，其中，

所述线圈装置包括：工字型套筒5，缠绕线圈6，所述缠绕线圈缠绕在所述工字型套筒5外侧；

所述永磁铁装置包括：设置在所述工字型套筒内的内侧永磁铁4，设置在所述内侧永磁铁上下两端的第一薄膜1-1和第二薄膜1-2，所述内侧永磁铁依靠设置在所述第一薄膜相对另一侧的第一外侧永磁铁3-1固定在所述第一薄膜上，所述内侧永磁铁依靠设置在所述第二薄膜相对另一侧的第二外侧永磁铁3-2固定在所述第二薄膜上；

所述振动调节装置包括：中间壳体10，第一曲面端盖8-1，第二曲面端盖8-2，所述中间壳体与所述工字型套筒的上横部和下横部过盈连接，所述中间壳体的上下端面呈现“凹”字型，所述第一曲面端盖通过螺纹同轴连接在所述中间壳体的上端面，所述第一薄膜通过所述第一曲面端盖夹紧在所述第一曲面端盖和所述中间壳体的上端面之间，所述第一曲面端盖靠近所述第一薄膜的端面为变曲率截面，所述中间壳体的上端面为与所述第一曲面端盖的变曲率截面对称设置的变曲率截面；所述第二曲面端盖通过螺纹同轴连接在所述中间壳体的下端面，所述第二薄膜通过所述第二曲面端盖夹紧在所述第二曲面端盖和所述中间壳体的下端面之间，所述第二曲面端盖靠近所述第二薄膜的端面为变曲率截面，所述中间壳体的下端面为与所述第二曲面端盖的变曲率截面对称设置的变曲率截面；所述第一曲面端盖上还设置有同轴连接的第一铁定子9-1，所述第二曲面端盖上还设置有同轴连接的第二铁定子9-2。

上述技术方案中，所述第一曲面端盖上还设置有同轴螺纹连接的第一铁定子9-1，所述第二曲面端盖上还设置有同轴螺纹连接的第二铁定子9-2。

上述技术方案中，所述第一薄膜和所述第二薄膜的四周分别紧固于第一环形夹片2-1和第二环形夹片2-2，所述第一环形夹片通过所述第一曲面端盖夹紧在所述第一曲面端盖和所述中间壳体的上端面之间，所述第二环形夹片通过所述第二曲面端盖夹紧在所述第二曲面端盖和所述中间壳体的下端面之间。

上述技术方案中，所述变曲率截面的参数为如附图4所示，sx为x的函数，x是在x轴方向上的取值，以变曲率截面最左侧为0点向右取值，其中l为变曲率截面在x方向的投影长度，h是x＝l时变曲率截面与未变形薄膜之间的垂直距离，n为大于2的整数；其右侧亦然。

上述技术方案中，所述第一薄膜和所述第二薄膜采用聚酰亚胺材料制作。

上述技术方案中，所述缠绕线圈为铜材质。

上述技术方案中，所述内侧永磁铁、第一外侧永磁铁和第二外侧永磁体为圆柱形铷铁硼永磁体。

上述技术方案中，所述第一铁定子和第二铁定子均为氧化铁芯，且同轴设置导气通孔11。

上述技术方案中，还包括同轴螺纹连接在所述中间壳体上端面外侧的第一外端盖7-1和同轴螺纹连接在所述中间壳体下端面外侧的第二外端盖7-2，所述第一外端盖和第二外端盖上设置有端盖导气孔12，所述中间壳体上设置有壳体导气孔13，所述端盖导气孔的面积与壳体导气孔的面积之和占所述第一薄膜和第二薄膜的面积之和的40％～60％，所述中间壳体上设置有供所述缠绕线圈末端伸出的线圈通孔14。

上述技术方案中，在所述第一外端盖和/或第二外端盖的端盖导气孔上设置有增加激励源-声音吸收效率的增效器15，所述增效器为喇叭口形状，吸声处位置的直径大于与端盖导气孔连接处的直径。

上述技术方案中，所述采集器的直径为70mm～90mm,高度为50mm～60mm.

本发明的优点和有益效果为：

1.降低势垒高度。第一薄膜和第二薄膜的固定夹紧面为变曲率截面，引入变曲率截面与磁力使其成为强非线性结构，结构势能函数与变曲率截面参数息息相关，选择合适的截面参数可有效地降低系统的势垒，使采集器更容易穿过势垒产生大幅阱间运动，还可以保护装置在较大的加速度下不会被破坏。

2.提高机电转化效率。随着永磁体上下往复运动，薄膜将与变曲率截面接触，使得薄膜的等效半径变小、结构的整体刚度变大，使得结构实现低频采集高频收集目标，另外与现有单层薄膜能量采集器相比，双层结构可使内侧永磁体始终处于线圈内振动，有效地提高线圈周围磁通量的变化率，与此同时感应声压变化以及外界振动的双拾振模式。

3.在第一铁定子、第二铁定子、第一外端盖、第二外端盖和中间壳体上设置导气孔能够削减双层薄膜振动过程中产生的空气阻尼，这一系列的设计使得结构具有更优的转化效率。

4.增加频带宽度。处于采集器内的薄膜张力可静态调节，同时铁定子和曲面端盖之间采用螺纹连接方式，可以通过旋转铁定子调节永磁体装置和铁定子之间的距离，另外变曲率截面参数可动态调节，调节上述三个参数可以使永磁体装置出现双稳态振动，以此拓宽能量采集器的工作频带。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例1的爆炸示意图；

图3是实施例1的纵向剖面构造图；

图4是变曲率截面参数图；

图5是实施例2的结构示意图。

其中：

1-1：第一薄膜，1-2：第二薄膜，2-1：第一环形夹片，2-2：第二环形夹片，3-1：第一外侧永磁铁，3-2：第二外侧永磁铁，4：内侧永磁体，5：工字型套筒，6：缠绕线圈，7-1：第一外端盖，7-2：第二外端盖，8-1：第一曲面端盖，8-2：第二曲面端盖，9-1：第一铁定子，9-2：第二铁定子，10：中间壳体，11：导气通孔，12：端盖导气孔，13：壳体导气孔，14：线圈通孔，15：增效器。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

为了克服现有非线性宽频振动能量采集器谐振频率较高和势阱较深等缺点，改善采集器在微幅激励下的输出效果，本实施例提供了一种具备升频技术的双稳态振动能量采集器。如图1、图2和图3所示，一种具备升频技术的双稳态多模式振动能量采集器，其特征在于，包括：线圈装置，永磁铁装置，振动调节装置，其中，

所述线圈装置包括：工字型套筒5，套筒内径为18mm，缠绕线圈6为0.1mm的高导电漆包线线圈，所述工字型套筒的筒体外表面设有凹槽，所述缠绕线圈缠绕在所述工字型套筒5的筒体外表面凹槽处，缠绕线圈的缠绕圈数为200圈；

所述永磁铁装置包括：设置在所述工字型套筒内的内侧永磁铁4，所述内侧永磁体为直径15mm、高15mm的圆柱形铷铁硼永磁体，设置在所述内侧永磁铁上下两端的第一薄膜1-1和第二薄膜1-2，所述第一薄膜和第二薄膜的尺寸一致皆为半径35mm，厚0.05mm的圆形聚酰亚胺薄膜，所述第一薄膜和所述第二薄膜的四周分别紧固于第一环形夹片2-1和第二环形夹片2-2上，第一薄膜1-1中间固定有用于充当惯性质量的第一外侧铷铁硼永磁体3-1和内侧铷铁硼永磁体4，第一外侧永磁体3-1为直径15mm、高1.5mm的圆柱形，第一外侧铷铁硼永磁体3-1和内侧铷铁硼永磁体4异极相对，极化方向均垂直于第一薄膜1-1表面，利用第一外侧铷铁硼永磁体3-1和内侧铷铁硼永磁体4之间的吸引力将其固定于第一薄膜1-1中性面的两侧；第二外侧永磁体3-2同样为直径15mm、高1.5mm的圆柱形铷铁硼永磁体，和内侧铷铁硼永磁体4异极相对，极化方向均垂直于第二薄膜1-2表面，利用第二外侧铷铁硼永磁体3-2和内侧铷铁硼永磁体4之间的吸引力将其固定于第二薄膜1-2中性面的两侧。

所述振动调节装置包括：中间壳体10，第一曲面端盖8-1，第二曲面端盖8-2，所述中间壳体与所述工字型套筒的上横部和下横部过盈连接，所述中间壳体的上下端面呈现“凹”字型，所述第一曲面端盖通过螺纹同轴连接在所述中间壳体的上端面，所述第一薄膜通过所述第一曲面端盖夹紧在所述第一曲面端盖和所述中间壳体的上端面之间，所述第一曲面端盖靠近所述第一薄膜的端面为变曲率截面，所述中间壳体的上端面为与所述第一曲面端盖的变曲率截面对称设置的变曲率截面；所述第二曲面端盖通过螺纹同轴连接在所述中间壳体的下端面，所述第二薄膜通过所述第二曲面端盖夹紧在所述第二曲面端盖和所述中间壳体的下端面之间，所述第二曲面端盖靠近所述第二薄膜的端面为变曲率截面，所述中间壳体的下端面为与所述第二曲面端盖的变曲率截面对称设置的变曲率截面；上述变曲率截面的参数为所述第一曲面端盖上还设置有同轴螺纹连接的第一铁定子9-1，所述第二曲面端盖上还设置有同轴螺纹连接的第二铁定子9-2，所述第一铁定子和第二铁定子皆为外径为40mm，内环直径为20mm，高为5mm的环形氧化铁铁定子。调节第一铁定子9-1与第一外侧永磁体3-1之间的距离为8mm，第二铁定子9-2与第二外侧永磁体3-2之间的距离为8mm。

上述技术方案中，所述第一薄膜和所述第二薄膜的四周分别紧固于第一环形夹片2-1和第二环形夹片2-2，所述第一环形夹片通过所述第一曲面端盖夹紧在所述第一曲面端盖和所述中间壳体的上端面之间，所述第二环形夹片通过所述第二曲面端盖夹紧在所述第二曲面端盖和所述中间壳体的下端面之间。

上述技术方案中，还包括同轴螺纹连接在所述中间壳体上端面外侧的第一外端盖7-1和同轴螺纹连接在所述中间壳体下端面外侧的第二外端盖7-2，所述第一外端盖和第二外端盖上设置有端盖导气孔12，所述中间壳体上设置有壳体导气孔13，所述端盖导气孔的面积与壳体导气孔的面积之和为2000mm²，所述中间壳体上设置有供所述缠绕线圈末端伸出的线圈通孔14

上述技术方案中，能量采集器的直径为90mm,高度为60mm.

当外界存在垂直于薄膜振动分量的激励时，将引发薄膜1-1和1-2振动并带动第一外侧永磁体3-1和第二外侧永磁体3-2以及内侧永磁体4共同在中间壳体10内做上下往复振动，从而导致工字型套筒5凹槽处缠绕的缠绕线圈6磁通量变化产生感应电能，通过外接交流电阻箱与示波器，测得其在基础激励加速度分别为0.5g,0.8g,1.2g下，有效工作频带为6-10hz,4-12.5hz,3-19.5hz,对应的最大输出功率为0.57mw,1.24mw,1.94mw.其中第一薄膜1-1和第二薄膜1-2非线性恢复力和变曲率截面形成的系统等效刚度，结合第一铁定子9-1和第二铁定子9-2的非线性吸引力，第一薄膜1-1和第二薄膜1-2存在2个平衡位置(外界小扰动使其偏离此平衡位置时，在系统恢复力和非线性磁力作用下，外侧永磁体3-1、3-2和内侧永磁体4依然会稳定于此位置)，此时系统为双稳态系统。

与现有的相互干涉的两套振动系统实现升频技术的能量采集器相比，本发明的升频技术利用变曲率截面使得第一薄膜1-1、第二薄膜1-2振动运动过程中与第一曲面端盖8-1、第二曲面端盖8-2和中间壳体10的变曲率截面接触，第一薄膜1-1从第一环形夹片2-1到与变曲率截面接触的位置之间的部分停止振动，剩余部分在惯性力作用下继续运动，此时薄膜1-1的半径变小，等效刚度变大，系统的振动频率得以提升，考虑到输出能量与频率的三次方成正比，此变曲率截面改善结构的能量输出效果，同理第二薄膜1-2有同样的工作原理可以实现同样的技术效果。

与现有的单薄膜能量采集器相比，双层薄膜结构可使内侧永磁体4始终处于缠绕线圈6内振动，有效提高了缠绕线圈6周围的磁通量变化率，具有更优的能量转化效率。

实施例2

实施例1显然在机械振动下已经有很好的输出效率，为了拓展实施例1的应用范围，进一步提高输出效果，将振动过程中产生的噪声同样作为激励源激励第一薄膜1-1和第二薄膜1-2振动。本实施例在实施例1所述的一种具备升频技术的双稳态振动能量采集器的基础上，第一外端盖7-1连接增效器15，使其具备类似赫姆霍兹谐振器(helmholtz谐振器)的功能，由此实现由声压变化带动薄膜振动，实现振动和声压的双拾振的效果，为满足不同工况下的能量采集需求创造条件。

实施例3

在实施例1及实施例2的基础上，进一步提高输出效果，将振动过程中产生的噪声同样作为激励源激励第一薄膜1-1和第二薄膜1-2振动。本实施例在实施例2所述的一种具备升频技术的双稳态振动能量采集器的基础上，在第二外端盖7-2上再增加一个增效器15，使其具备类似赫姆霍兹谐振器(helmholtz谐振器)的功能，由此实现由声压变化带动薄膜振动，实现振动和声压的双拾振的效果，为满足不同工况下的能量采集需求创造条件。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。