基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构

1.本发明涉及电磁式振动能量俘获技术领域，具体的说，涉及了一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构。


背景技术：

2.随着低功耗高性能的微处理器和微传感技术的迅速发展，大量的无线传感器被应用到健康监测、设备状态监控以及战场势态感知等重要场合。这些设备能够实时地反馈监测对象的状态信息，有效地提高对紧急事件的应对速度。
3.目前，该类电子设备仍采用传统电池进行供电，由于其体积和容量有限，需要定期更换和充电来维持设备的稳定需求，且存在污染环境、回收困难等问题，特别是在一些极其恶劣的环境中，更换电池的成本反而比产品本身更高，甚至是很难完成，基于这一现状，目前发展出了能量俘获技术，捕获自然资源中存在的能量为设备供电。
4.作为最普遍存在的可再生能源之一，振动能量相对稳定且广泛存在于机械结构（汽车、高铁、飞机、机床等）、大型建筑（建筑物、桥梁等）和生物体内（脉搏、心跳、四肢摆动等），并且可通过其他绿色能源（风能、流体能量等）转换而成。目前，应用于振动能量俘获的方法主要包括静电式、电磁式和压电式等三种类型。其中，电磁式能量俘获结构内阻较小、输出电流较大，在某些特殊场合的应用受到了人们的重视。
5.电磁式振动能量俘获系统应用的核心问题是设计应用于环境振动的高效能量俘获结构，并将其与外接电路集成为低功耗电子设备供电。传统线性电磁振动能量俘获结构的响应频带较窄，且只能在系统共振频率附近产生较大的功率输出。
6.然而，环境振动的频率多分布在较宽的频带范围内且具有一定的随机性，线性系统在该种情况下使用时其能量俘获效率会受到很大的影响，成为了制约电磁振动能量俘获技术发展的瓶颈问题。
7.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供响应频带宽、调节灵活、能量俘获效率高的基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构。
9.具体的，该基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构利用一个长条状的永磁铁作为运动轨道，一个圆柱形的运动磁铁与其配合在运动轨道上滚动，再增加一对限位磁铁用于限制运动磁铁的振动范围，增加一个调制磁铁拓宽响应带宽，通过接收外界激励，运动磁铁产生位移，经过线圈时产生电能，在限位磁铁和固定磁铁的作用下实现非线性的双稳态特性，通过调整限位磁铁之间的间距，以及调制磁铁与固定磁铁的间距，可以调整该装置适应不同的环境振动频率，提高能量俘获效率，构建不同非线性回复力的双稳态系统。
10.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构，包括固定磁铁、两个限位磁铁、一个运动磁铁、一个调制磁铁和线圈；
所述固定磁铁配置为长条状，所述固定磁铁的其中一个长边作为运动轨道；两个限位磁铁配置为分别设置于固定磁铁运动轨道的首尾两端；所述调制磁铁配置为设置在垂直于运动轨道的中点并与运动轨道有一段距离处；所述磁铁均布置于一个平面内，所述运动磁铁配置为仅能够沿所述运动轨道运动，所述运动磁铁与固定磁铁之间为吸引力，所述运动磁铁和两个限位磁铁以及调制磁铁之间均为排斥力；所述线圈配置为布置于所述运动轨道的一侧，所述运动磁铁的运动轨迹经过所述线圈一端以便能在线圈中产生感应电流。
11.基上所述，所述运动磁铁、两个限位磁铁和所述调制磁铁均为圆柱体，且所述运动磁铁、两个限位磁铁和调制磁铁的直径相等，所述运动磁铁与运动轨道滚动配合，所述运动磁铁的厚度与所述固定磁铁的厚度相等。
12.基上所述，所述限位磁铁在运动轨道上的位置可调。
13.基上所述，所述调制磁铁距离运动轨道的距离可调。
14.基上所述，所述固定磁铁为矩形长条结构或带有弧度的长条结构。
15.基上所述，所述固定磁铁的其中一个竖侧面作为运动轨道，所述运动轨道的底端设置有承托所述运动磁铁移动的承托结构。
16.基上所述，所述运动轨道的对立侧设置有限制所述运动磁铁位移的护栏，所述护栏、承托结构、运动轨道和两个限位磁铁合围成封闭的运动空间，所述运动磁铁位于所述运动空间中，所述调制磁铁基于所述护栏安装。
17.基上所述，所述线圈为铜芯漆包线结构，所述线圈的数量为至少一个，所述线圈外接电能收集模块。
18.基上所述，所述承托结构为平面的承托面，所述线圈嵌装在所述承托面中，所述线圈的轴心穿过所述运动磁铁的运动轨迹；所述运动空间的空缺面设置有端盖。
19.基上所述，所述线圈为铜芯漆包线结构，所述线圈的数量为至少一个，所述线圈外接电能收集模块。
20.基上所述，激励的施加方向与运动磁铁的运动方向相同。
21.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明设计一个长条状的固定磁铁，将其其中一面作为轨道面，运动磁铁沿轨道面移动，运动磁铁与固定磁铁为吸引力，这样设计的优势在于：运动磁铁由于受限小，受外界激励的灵敏度高，能够接收更多的外界激励，与此同时，固定磁铁吸引运动磁铁不脱离其运动轨道，使其在规则运动下具有较高的灵敏度；两端的限位磁铁则用于限制运动磁铁的行程范围，促使运动磁铁在接收到外界激励后产生往返运动；调制磁铁则结合固定磁铁和限位磁铁，对运动磁铁进行进一步的限制和驱动，系统变为具有双稳态特点的系统，进而促使运动磁铁具有更复杂的运动形式，可频繁的经过线圈，使线圈产生电流，提升发电效率。
22.进一步的，限位磁铁和调制磁铁的位置可调，使运动磁铁的运动表现出不同的非线性特性，具体表现为：装置水平放置，调节两个限位磁铁间的距离及调制磁铁与固定磁铁的距离，可实现具有不同非线性回复力特性的双稳态系统，使系统具有较宽的响应频带、提高能量俘获效率，解决当前线性系统频带过窄的问题，且结构设计简单，拆卸、升级和更换调节都十分方便。
23.进一步的，两个限位磁铁、运动磁铁的直径和固定磁铁的厚度相等，使运动磁铁的运动状态容易计算且可控，也能够使运动磁铁实现相对规则的运动状态。
24.进一步的，针对运动轨迹设计合围的运动空间，能够提升该装置的应用场景，使其应用多元化。
附图说明
25.图1是本发明中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的结构原理图。
26.图2是本本发明实施例1中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的俯视图。
27.图3是本发明实施例2中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的侧视图。
28.图4是本发明实施例3中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的侧视图。
29.图5是本发明实施例3中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的俯视图。
30.图6是本发明实施例1中基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构的双稳态势能函数图。
31.图中：1.固定磁铁；2.限位磁铁；3.运动磁铁；4.运动轨道；5.线圈；6.承托结构；7.护栏；8.端盖；9.调制磁铁。
具体实施方式
32.下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
33.实施例1如图1、图2和图6所示，一种基于滚动磁铁的双稳态电磁能量采集结构，包括固定磁铁1、两个限位磁铁2、一个运动磁铁3、一个调制磁铁9和一个线圈5；所述固定磁铁1配置为长条状，所述固定磁铁1的其中一个长边作为运动轨道4，在本实施例中，固定磁铁1的其中一个竖边作为运动轨道4，固定磁铁的下方设置承托结构6，如承托平面作为运动磁铁运动的限位面或支撑面。
34.两个限位磁铁2配置为分别设置于固定磁铁1运动轨道4的首尾两端，主要作用是限制运动磁铁3的行程范围。
35.所述调制磁铁2配置为设置在垂直于运动轨道4的中点并与运动轨道4有一段距离处，它的主要作用是改变运动磁铁3受到的非线性回复力，使其表现出双稳态特性。
36.所述运动磁铁3配置为仅能够沿所述运动轨道4运动，所述运动磁铁3与固定磁铁1之间为吸引力，所述运动磁铁3和两个限位磁铁2之间均为排斥力，运动磁铁3与调制磁铁9之间为排斥力，固定磁铁1通过吸引运动磁铁来防止运动磁铁偏离运动轨道，限位磁铁2通过排斥力驱动运动磁铁在两个限位磁铁之间的运动轨道4上做往复运动，调制磁铁配合限位磁铁使运动磁铁的运动具有双稳态特性。
37.所述线圈5配置为布置于所述运动轨道4的一侧，所述运动磁铁3的运动轨迹经过所述线圈5一端以便能在线圈5中产生感应电流，线圈5在本实施例中采用铜芯漆包线，外接电能收集模块，将收集到的电能进行转换以及存储或输出。
38.工作原理：在进行振动能量俘获时，可对装置沿着与运动磁铁3的运动轨道4相同的方向进行激励，运动磁铁3在激励下沿着固定磁铁1的运动轨道4的面滚动，并在限位磁铁2和调制磁铁9的作用下产生特定状态的往返运动，进而产生变化的磁场，由此在线圈5内产
生感应电流，通过将线圈5中的电流引出并采集的方法，可以得到线圈5的开路电压。
39.当装置水平摆放时，装置表现出双稳态特点。
40.优选的，为拓宽响应带宽，所述限位磁铁2在运动轨道4上的位置可调，通过调节两个限位磁铁2间的距离，可实现具有不同非线性回复力的双稳态系统，进而适应不同的环境振动频率、提高能量俘获效率。
41.同时，调制磁铁9距离运动轨道的间距也可调，配合限位磁铁2形成具有不同非线性回复力特性的双稳态系统，进而适应不同的环境振动频率，提高能量俘获效率，使得该系统的可调节的灵活性更高。
42.实施例2如图3所示，本实施例中，为优化该装置的性能，将运动磁铁3、两个限位磁铁2和调制磁铁设置为圆柱体，且所述运动磁铁3、两个限位磁铁2和调制磁铁的直径相等，所述运动磁铁3与运动轨道4滚动配合，所述运动磁铁3的厚度与所述固定磁铁1的厚度相等（图中由于视角问题未画出调制磁铁，不影响意思表达）。
43.所述固定磁铁1为矩形长条结构，固定磁铁1的其中一个竖侧面作为运动轨道，所述运动轨道4的底端设置有承托所述运动磁铁移动的承托结构6，所述承托结构6在本实施例中为平面的承托面，所述线圈5嵌装在所述承托面中，所述线圈5的轴心穿过所述运动磁铁3的运动轨迹。
44.其它实施例中，限位磁铁和调制磁铁也可以使用圆环状磁铁。
45.实施例3如图4和图5所示，所述运动轨道4的对立侧设置有限制所述运动磁铁位移的护栏7，所述护栏7、承托结构6、运动轨道4和两个限位磁铁2合围成封闭的运动空间，所述运动磁铁位于所述运动空间中，所述调制磁铁9可基于护栏7安装，可沿护栏7上设置的调整长槽调节与运动轨道4之间的距离，这种结构可以适应更多的应用环境，受限制更少，外部激励也可以直接施加在外部结构上（图4中由于视角问题未画出调制磁铁，不影响意思表达）。
46.优选的，运动空间的空缺面设置有端盖，通过将运动磁铁完全封闭在封闭空间中，使得该装置可适用于更广泛的应用领域中，如随身携带的便携电子元器件的供电上。
47.其它实施例中，固定磁铁可以是带有弧度的长条结构，将固定磁铁的活动轨道设计为顶面，运动磁铁在运动过程中还会受自身重力的影响产生往返运动。
48.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。