本發(fā)明涉及一種電磁式碰振升頻振動能量采集裝置。

背景技術(shù)：
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能量采集技術(shù)是一種非常有前途的清潔能源技術(shù)，是指使用環(huán)境能量向小型和移動的電氣或電子設(shè)備提供電。通常情況下，這些設(shè)備都是依靠傳統(tǒng)的電池來提供能量，但是傳統(tǒng)電池存在的缺點在于：供能壽命有限，使用一段時間后要更換或者充電。對于放置在惡劣環(huán)境或者埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的無線傳感器而言，這是個很嚴重的制約條件。振動能量采集器件不受連接線的限制，且無需頻繁更換，適合為傳感網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器供能。因此，振動能量采集器已成為可自我維持電源研究中的一大熱點，在航空航天、武器裝備、橋梁建筑等領(lǐng)域中具有較為廣泛的應(yīng)用價值與潛景。

振動能量采集器件的采集效率取決于振動幅值及共振頻率兩個要素。為實現(xiàn)高效能量采集，振動型能量采集器的設(shè)計需要其共振頻率與環(huán)境振源頻率相匹配，同時要求具有較寬的工作頻帶以適應(yīng)振動源頻率的隨機變化。然而，環(huán)境中的振動能以低頻為主(如航天柔性結(jié)構(gòu)、艦載裝備振動)，且具有隨機性，頻率波動很大。而傳統(tǒng)的振動能量采集器諧振頻率高、工作頻帶窄，因而不能有效地采集環(huán)境中的振動能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種電磁式碰振升頻振動能量采集裝置，以解決現(xiàn)有線性采集裝置中無法兼顧高水平電能輸出與低頻工作環(huán)境及寬頻采集帶寬的瓶頸問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電磁式碰振升頻振動能量采集裝置，由低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)和高頻采集結(jié)構(gòu)兩部分組成，所述低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)由第一定位套筒，第一T型端蓋，第一圓柱形磁鐵，第一圓環(huán)形磁鐵，第一緊固螺紋套筒，低剛度彈簧，第一工字型凹槽圓柱以及第一銅線圈組成，所述第一工字型凹槽圓柱的中心處設(shè)有通孔，外表面上設(shè)有凹槽，所述第一銅線圈纏繞于第一工字型凹槽圓柱上的凹槽處，所述第一定位套筒與第一T型端蓋為過盈配合裝配，第一定位套筒的外側(cè)面為螺紋設(shè)計，所述第一圓環(huán)形磁鐵嵌套于第一定位套筒外圈且第一圓環(huán)形磁鐵與第一定位套筒為間隙配合，并由第一緊固螺紋套筒旋緊固定，所述低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的第一T型端蓋開設(shè)有第一環(huán)形沉槽，低剛度彈簧的一端與第一環(huán)形沉槽的內(nèi)圈為過盈配合，同時由開口擋圈壓緊，所述第一工字型凹槽圓柱上開設(shè)有第二環(huán)形沉槽，低剛度彈簧的另一端與第一工字型凹槽圓柱上的第二環(huán)形沉槽內(nèi)圈過盈緊固，并同時由開口擋圈壓緊，所述第一圓環(huán)形磁鐵極性為S極，第一圓柱形磁鐵極性為N極，所述高頻采集結(jié)構(gòu)由第二定位套筒，第二T型端蓋，第二圓柱形磁鐵，第二圓環(huán)形磁鐵，第二緊固螺紋套筒，高剛度彈簧，第二工字型凹槽圓柱以及第二銅線圈，所述高頻采集結(jié)構(gòu)中上述結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系與低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的相同，所述高頻采集結(jié)構(gòu)的第二工字型凹槽圓柱上與低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)相對的端面粘有的彈性橡膠片，所述低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)與高頻采集結(jié)構(gòu)之間通過第一定位套筒與第二定位套筒之間的螺紋連接以達到連接，所述高頻采集結(jié)構(gòu)中的第二圓環(huán)形磁鐵極性為N極，第二圓柱形磁鐵極性為S極。

進一步地，所述低剛度彈簧的兩端面磨平，以便于分別與第一環(huán)形沉槽以及第二環(huán)形沉槽貼合。

進一步地，所述第一圓柱形磁鐵和第一圓環(huán)形磁鐵的材料均為NdFeB材料。

進一步地，所述低剛度彈簧的材料為鈹青銅。

進一步地，所述彈性橡膠片的厚度為1mm。

進一步地，所述電磁式碰振升頻振動能量采集裝置的整體直徑為30-40mm，高為50-60mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)和高頻采集結(jié)構(gòu)通過碰撞耦合，當(dāng)振動發(fā)生時，低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的振子處于共振狀態(tài)，當(dāng)振動強度足夠或者碰撞間隙足夠小時，第一工字型凹槽圓柱和彈性橡膠片將產(chǎn)生碰撞。這將驅(qū)動高頻采集結(jié)構(gòu)以其自身固有頻率作高頻振蕩，或是產(chǎn)生高頻周期振動。根據(jù)線性振動能量采集原理，振動能量的功率輸出和頻率的立方成正比，因此高頻采集結(jié)構(gòu)的高頻大幅值的周期振動會使得有效的電能輸出產(chǎn)生數(shù)量級的提升。

(2)低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)和高頻采集結(jié)構(gòu)通過第一定位套筒和第二定位套筒螺紋連接。碰撞間隙可通過螺紋旋進圈數(shù)方便調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同振動環(huán)境需求，節(jié)約制作成本。

(3)本發(fā)明電磁式碰振升頻振動能量采集裝置的低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)和高頻采集結(jié)構(gòu)均具備振動采集功能。對于飛行器等實際工程結(jié)構(gòu)，環(huán)境的振動條件并不單一，即使在振動強度較弱不足以使得碰撞發(fā)生的情形，本發(fā)明電磁式碰振升頻振動能量采集裝置也具備兩個共振采集頻帶。其中，高頻采集結(jié)構(gòu)固有頻率為低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)的兩倍，且當(dāng)設(shè)計二者固有頻率分布在環(huán)境振動能量集中的頻段時，本發(fā)明顯然具備更寬的采集帶寬。

(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，并且可以根據(jù)需求方便調(diào)節(jié)采集性能，節(jié)約制作成本，適用于航空航天，船舶、軌道交通、橋梁等工程領(lǐng)域的振動能量采集。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明電磁式碰振升頻振動能量采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中低剛度彈簧和第一T型端蓋固定處的示意圖。

具體實施方式：

本發(fā)明電磁式碰振升頻振動能量采集裝置由低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)和高頻采集結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中，低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)由第一定位套筒4，第一T型端蓋1，第一圓柱形磁鐵8，第一圓環(huán)形磁鐵5，第一緊固螺紋套筒3，低剛度彈簧2，第一工字型凹槽圓柱6以及第一銅線圈7組成。第一工字型凹槽圓柱6的中心處設(shè)有通孔，外表面上設(shè)有凹槽，第一銅線圈7纏繞于第一工字型凹槽圓柱6上的凹槽處，第一銅線圈7在由第一圓柱形磁鐵8和第一圓環(huán)形磁鐵5共同形成的不均勻磁場中振動，從而產(chǎn)生電能輸出。第一銅線圈7的圈數(shù)由發(fā)電性能要求決定，其材料為導(dǎo)電性能較好的銅材質(zhì)。

低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中第一定位套筒4與第一T型端蓋1為過盈配合裝配，第一定位套筒4的外側(cè)面為螺紋設(shè)計。第一圓環(huán)形磁鐵5嵌套于第一定位套筒4外圈且第一圓環(huán)形磁鐵5與第一定位套筒4為間隙配合，并由第一緊固螺紋套筒3旋緊固定。

低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)1中的第一T型端蓋1開設(shè)有第一環(huán)形沉槽19，低剛度彈簧2的一端與第一環(huán)形沉槽的內(nèi)圈為過盈配合，同時由開口擋圈壓緊。第一工字型凹槽圓柱6上開設(shè)有第二環(huán)形沉槽20，低剛度彈簧2的另一端與第一工字型凹槽圓柱6上的第二環(huán)形沉槽內(nèi)圈過盈緊固，并同時由開口擋圈壓緊。低剛度彈簧2的兩端面磨平，便于分別與第一環(huán)形沉槽以及第二環(huán)形沉槽貼合。第一圓環(huán)形磁鐵5嵌套于第一定位套筒4外圈，為間隙配合，并由第一緊固螺紋套筒3旋緊固定。第一圓柱形磁鐵8和第一圓環(huán)形磁鐵5的材料均為NdFeB材料，第一圓環(huán)形磁鐵5極性為S極，第一圓柱形磁鐵8極性為N極。低剛度彈簧2的材料為鈹青銅，具有很高的彈性極限和疲勞極限，彈性滯后小，無磁性。

高頻采集結(jié)構(gòu)由第二定位套筒17，第二T型端蓋18，第二圓柱形磁鐵10，第二圓環(huán)形磁鐵14，第二緊固螺紋套筒16，高剛度彈簧15，第二工字型凹槽圓柱12以及第二銅線圈13。高頻采集結(jié)構(gòu)中上述結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系與低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的相同，不同之處在于：高頻采集結(jié)構(gòu)的第二工字型凹槽圓柱12上與低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)相對的端面粘有1mm厚的彈性橡膠片9，可降低沖擊噪聲。低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)與高頻采集結(jié)構(gòu)之間通過第一定位套筒4與第二定位套筒17之間的螺紋連接達到連接效果，第一定位套筒4與第二定位套筒17螺紋連接后由螺紋擋圈11緊固，根據(jù)不同的環(huán)境需求，碰撞間隙可通過螺紋的旋進圈數(shù)方便調(diào)整，并由螺紋擋圈11反向緊固。其中高頻采集結(jié)構(gòu)中的第二圓環(huán)形磁鐵14極性為N極，第二圓柱形磁鐵10極性為S極。

本發(fā)明電磁式碰振升頻振動能量采集裝置的整體直徑為30-40mm，高為50-60mm。

當(dāng)電磁式碰振升頻振動能量采集裝置處于工作狀態(tài)時，低頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)中由低剛度彈簧2、第一工字型凹槽圓柱6以及第一銅線圈7組成的振子的固有頻率與環(huán)境激勵頻率相等，因此處于共振狀態(tài)，其將產(chǎn)生大幅值振動，當(dāng)振動強度足夠或者碰撞間隙足夠小時，第一工字型凹槽圓柱6和彈性橡膠片9將產(chǎn)生碰撞，這將驅(qū)動高頻采集結(jié)構(gòu)以其自身固有頻率作高頻振蕩，或是產(chǎn)生高頻周期振動。這兩種情形都將不同程度的提升振動能量采集的效能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。