一种宽频谐振振动能量俘获装置

本发明属于振动能量俘获，具体涉及一种宽频谐振振动能量俘获装置。

背景技术：

1、传感器作为物联网重要组成部分，是感知环境信息的基础元件。随着物联网技术的飞速发展，如何对传感器网络长期有效供能是物联网技术发展的瓶颈问题之一。物联网传感器元件功耗普遍较低，通过能量俘获技术为传感器供电，从而实现传感器长期运行，成为当前物联网技术的研究热点之一。由于机械振动能普遍存在于各种机械装置中，振动能量俘获成为解决物联网供能问题的有效途径。

2、目前的振动能量俘获装置，固有频率单一，特别是无源固有频率自适应调节困难，难以有效俘获环境激振能量，而且机电能量转换效率低，输出功率小，无法满足高效稳定地供电需求。当环境激振频率轻微改变时，振动能量俘获效率大幅度降低。因此，需要对振动能量俘获装置进行合理设计，使其具有较宽的谐振频域，以拓宽装置的有效工作频域范围，匹配不同的环境激励频率，最终提高电能转换效率。

技术实现思路

1、宽频谐振振动能量俘获装置基于局域共振型声子晶体带隙产生机理，当环境激励的频率处于局域共振型声子晶体带隙范围之内时，散射体会产生局域共振，从而将振动能传递至永磁体和线圈，使得永磁体和线圈发生相对运动，切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，会产生感应电动势。

2、本发明提出一种宽频谐振振动能量俘获装置，利用声子晶体局域共振型带隙产生机理，拓宽了共振频带，可使系统在宽频带环境激励范围内产生共振，实现高效率的振动能量俘获。

3、本发明提供的宽频谐振振动能量俘获装置，包括如下组成部分：

4、壳体、基体、散射体、连接杆、第一弹簧、永磁体、第二弹簧、环形铁芯、线圈、端盖。

5、所述的壳体与外界连接，将振动能量传递至声子晶体；

6、所述的基体与散射体组合，周期排列于壳体内部上端，两端与壳体相连；

7、所述的连接杆一端与散射体连接，另一端与第一弹簧相连接；

8、所述的第一弹簧另一端连接永磁体，使永磁体能够随着散射体振动；

9、所述的永磁体产生固定磁场，一端连接第一弹簧，另一端连接第二弹簧，永磁体振动时，线圈相对永磁体做切割磁感线运动；

10、所述的第二弹簧另一端与环形铁芯共同连接于端盖上；

11、所述的环形铁芯环绕安装于永磁体外侧，一端与连接杆相连，另一端与端盖相连。

12、本发明的宽频谐振振动能量俘获装置，相对现有技术具有如下优点和积极效果：

13、(1)本发明基于声子晶体产生局域共振带隙的原理，声子晶体局域共振，与散射体连接的装置能在较宽的频率区间内产生共振，与现有的振动能量俘获装置相比，工作频带更宽；

14、(2)本发明利用了电磁振动能量俘获装置，具有体积小、寿命长、输出功率密度较大等优点；

15、(3)本发明可适用于激励频率复杂的场景为低功耗无线传感器网络供电，工作中无需对装置进行调整；在安装之前，也可以根据使用条件改变散射体和基体的材料等参数，改变局域共振产生的带隙范围，使用灵活。

技术特征：

1.一种宽频谐振振动能量俘获装置，包括如下组成部分：壳体、基体、散射体、连接杆、第一弹簧、永磁体、第二弹簧、环形铁芯、线圈、端盖；其特征在于：壳体(1)内部上端固定有基体(2)和散射体(3)，基体(2)与散射体(3)周期交替排列，连接杆(4)一端固定在散射体(3)的下端，连接杆(4)另一端与第一弹簧(5)相连，第一弹簧(5)另一端与永磁体(6)相连，永磁体(6)的另一侧与第二弹簧(7)相连，第二弹簧(7)另外一端与端盖(10)连接；环形铁芯(8)安装于永磁体(6)的外侧，线圈(9)均匀缠绕在环形铁芯(8)上，环形铁芯(8)一端与连接杆(4)连接，环形铁芯(8)另外一端与端盖(10)连接；

技术总结
本发明提供了一种宽频谐振振动能量俘获装置，具体涉及振动能量俘获技术领域。包括壳体，壳体内部上端设置有基体和散射体周期排列的主结构，散射体下端与连接杆固定连接，连接杆另外一端与第一弹簧相连，第一弹簧另外一端连接永磁体，永磁体另外一侧连接第二弹簧，永磁体外侧设置有环形铁芯，环形铁芯上缠绕线圈，环形铁芯一端与连接杆一端连接，环形铁芯另外一端与端盖相连。连接杆、第一弹簧、永磁体、第二弹簧、环形铁芯、线圈以及端盖组成子结构。本发明主结构、子结构组成局域共振型声子晶体，当输入弹性波在禁带范围内时，声子晶体局域共振，从而实现宽频谐振振动能量俘获，俘获效率显著提高，更好地为低功耗无线传感器和微机电系统供电。

技术研发人员：苏勋文,郜冲,朱冬梅
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24