一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置

1.本发明涉及一种能量采集装置，具体是一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置。


背景技术：

2.由于振动能量采集器具有替代传统电池的潜在应用前景，一直是研究的热点领域。在日常生活中存在许多低频域的振动，例如人体在行走时的振动频率约为1hz，而永磁铁和线圈的直相对运动能产生高达28mw的电能。由于较高的磁通变化率，线圈与磁铁的相对运动具有较好的将振动能量转换为电能的能力。人们需要创造一种环保的，可持续发电的新型能量采集装置，包含惯容结构的双稳态振动能量采集技术进而获得了人们的关注。


技术实现要素：

3.本发明为了克服现有装置能量采集效率低下的问题，本发明提出一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其具有更宽频带的峰值能量，且能够克服能量势垒，获取更大的振动幅度，从而将振动转变成更多的电能。
4.本发明包括呈轴对称设置的弹性元件、线圈永磁体结构和三连体结构，其中对称设置的线圈永磁体结构之间通过连杆结构连接，线圈永磁体结构还通过弹性元件、三连体结构与装置本体内壁连接；所述的三连体结构包括第二支架，其一端与装置本体内壁相连接，另一端通过铰链铰接一端带有质量块的长杆，长杆另一端与固定在线圈永磁体结构中的永磁体外侧上的槽型支架活动连接，所述质量块与长杆构成惯容结构，用于降低装置的能量势垒；所述线圈永磁体结构包括线圈和永磁体，所述永磁体放置在光滑平面上，所述线圈套置于永磁体外部，永磁体两侧开槽，与连接在装置本体内壁上的长杆嵌套，以保证装置受迫振动时永磁体始终做水平直线运动。
5.本发明具有的有益效果是：从能量采集效率上看，当装置受到垂直方向的激励时，由于本发明具有双稳态的双陷回复力势能特性，具有比一般装置更小的启动激励，使永磁体的运动幅度更大，能量采集更多；并且装置中惯容结构可降低双稳态结构的能量势垒，因此更大的提升了能量采集效率；且当有水平方向的激励时，该装置也能实现能量收集。
附图说明
6.图1是本发明主视图。
7.图2是本发明侧视三维图。
8.图3是本发明三连体结构三维图。
9.图中：1、装置本体，2、线圈永磁体结构，3、三连体结构，4、弹簧，5、连杆结构，6、线圈，7、永磁体，8、质量块，9、长杆，10、光滑平面，11、装置本体内壁，12、第一支架，13、i型刚性杆，14、槽型支架，15、开槽长杆、16、第二支架。
具体实施方式
10.下面通过附图对本发明的实施例作详细说明。
11.如图1所示，本实施例装置包括装置本体1、线圈磁铁结构2、三连体结构3、弹簧4和连杆结构5。线圈磁铁结构2、三连体结构3、弹簧4、连杆结构5位于装置本体内部。
12.如图2所示，所述装置内部为轴对称结构，左右两侧分别都含有一个三连体结构3、一个弹簧4、一个线圈6和一个永磁体7。永磁体7放置在光滑平面10上，通过弹簧9、三连体结构3与装置本体内壁11连接，永磁体7两侧开槽，与连接在装置本体内壁11上的长杆9嵌套，以保证装置振动时永磁体7始终做水平直线运动。两个线圈6分别套在两个永磁体7外部，永磁体7内侧通过连杆结构5相连接。
13.所述装置本体1为3d打印工艺制造，长杆9、光滑平面10为磨削后的硬质合金。
14.如图3所示，所述三连体结构3包含了一个与装置本体内壁11相连接的第二支架16，第二支架16的另一端通过铰链铰接了一头带有质量块8的开槽长杆15，开槽长杆15下侧与固定在永磁体7上的槽型支架14相连接。
15.所述三连体结构3中的质量块8为高速钢，重量为1kg，开槽长杆15、支架12、槽型支架14均为3d打印工艺制造，并采用不锈钢杆作为铰链将各部件连接起来。
16.所述装置中的弹簧4为mysumi-vona所制，型号为wfsp9-1.2-30。
17.所述装置中的线圈永磁体结构2中的线圈6为铜导线所制，半径为1.5mm；永磁体7为磨削后的稀土永磁体，以ndfe35为其材料，长度为7cm、宽度为5cm、高度为5cm。
18.所述装置中的连杆结构5连接了装置内部光滑平面10上的两个永磁体7，连杆结构5由两根i型刚性杆13通过铰链连接构成，并分别通过铰接方式固定在永磁体7一侧的第一支架12上。
19.所述连杆结构5中的i型刚性杆7由45#钢制成，具有一定的质量，使在装置受迫振动时达到双稳态效果。
20.所述装置具有双稳态的双陷回复力势能特性，所需的启动激励更小、永磁体的运动幅度更大，能量采集更多；并且装置中惯容结构可降低双稳态结构的能量势垒，因此更大的提升了能量采集效率。
21.本实施例中的装置工作原理：当本装置受到一个持续的垂直方向的激励时，连杆结构5会受迫上下摆动，从而驱动永磁体在水平方向来回运动。根据法拉第电磁感应定律，永磁体7运动切割磁感线从而产生感应电流和感应电动势。而该装置具有双稳态结构，具有比一般装置更小的启动激励，使永磁体的运动幅度更大，能量采集更多。且三连杆结构中的质量块与长杆相当于一个惯容，惯容是一种两端点惯性放大元件，在装置运动的时候，可以降低双稳态结构的能量势垒，系统更容易跨越势垒，在两个势阱之间做大幅值的周期运动。惯容结构能使连杆更容易地从一个稳定状态摆动到另一个稳定状态，使永磁体的运动幅度更大，从而获取更多的电能。当有水平方向的激励作用于该装置时，此刻永磁体以自身为驱动做水平运动切割磁感线，产生一定的感应电动势也能实现能量收集。因此该装置具有双向采集能量的优点，电能转化率更高。


技术特征：
1.一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其特征在于：包括呈轴对称设置的弹性元件、线圈永磁体结构和三连体结构，其中对称设置的线圈永磁体结构之间通过连杆结构连接，线圈永磁体结构还通过弹性元件、三连体结构与装置本体内壁连接；所述的三连体结构包括第二支架，其一端与装置本体内壁相连接，另一端通过铰链铰接一端带有质量块的长杆，长杆另一端与线圈永磁体结构中的永磁体外侧上的槽型支架活动连接，所述质量块与长杆构成惯容结构，用于降低装置的能量势垒；所述线圈永磁体结构包括线圈和永磁体，所述永磁体放置在光滑平面上，所述线圈套置于永磁体外部，永磁体两侧开槽，与连接在装置本体内壁上的长杆嵌套，以保证装置受迫振动时永磁体始终做水平直线运动。2.根据权利要求1所述的一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其特征在于：所述连杆结构连接了装置内部光滑平面上的两个永磁体，连杆由两根i型杆通过铰链连接构成，并分别通过铰接方式固定在永磁体内侧上的第一支架上，i型杆具有一定的质量，使装置在受迫振动时达到双稳态效果。3.根据权利要求1或2所述的一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其特征在于：所述的弹性元件采用弹簧，弹簧位于所述的三连体结构下方，所述弹簧的一端与永磁体连接，另一端与装置本体内壁连接。4.根据权利要求2所述的一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其特征在于：所述的装置本体由3d打印而成，所述长杆和光滑平面水平架设在装置本体内，且长杆和光滑平面材质为硬质合金。5.根据权利要求1所述的一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置，其特征在于：所述的质量块材质为高速钢，所述线圈材质为铜，所述永磁体为磨削后的稀土永磁体，以ndfe35为其材料。

技术总结
本发明公开了一种包含惯容结构的双稳态振动能量采集装置。本发明包括呈轴对称设置的弹性元件、线圈永磁体结构和三连体结构，其中对称设置的线圈永磁体结构之间通过连杆结构连接，线圈永磁体结构还通过弹性元件、三连体结构与装置本体内壁连接；所述的三连体结构包括第二支架，其一端与装置本体内壁相连接，另一端通过铰链铰接一端带有质量块的长杆，长杆另一端与线圈永磁体结构中的永磁体外侧上的槽型支架活动连接，所述质量块与长杆构成惯容结构，用于降低装置的能量势垒。由于本发明具有双稳态的双陷回复力势能特性，从而具有更小的启动激励，使永磁体的运动幅度更大，能量采集更多。集更多。集更多。


技术研发人员：鲁心培 徐明 唐波 尤家辉 陈天宇
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/1/23