本發(fā)明涉及能量采集技術(shù)，尤其涉及一種電磁式非線性諧振升頻振動能量采集裝置。

背景技術(shù)：

能量采集技術(shù)是一種非常有前途的清潔能源技術(shù)，是一種使用環(huán)境能量向小型和移動的電氣或電子設(shè)備供電的能源技術(shù)。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)電池的缺點(diǎn)在于：供能壽命有限，因此使用一段時間后要更換或者充電。這對于放置在惡劣環(huán)境或者埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的無線傳感器而言，是個很嚴(yán)重的制約條件。然而，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(diǎn)，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(shí)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。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），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，在弱強(qiáng)度振動環(huán)境中，存在采集能效不高的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電磁式非線性諧振升頻振動能量采集裝置，采用兩極振動能量采集系統(tǒng)的設(shè)計，即使在環(huán)境振動頻率低的情況下，第二級振動系統(tǒng)處于主共振狀態(tài)，其中由兩個環(huán)形永磁體（11）和一個兩極環(huán)形永磁體（12）組合成的強(qiáng)立方非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的奇次諧波觸發(fā)第一級振動系統(tǒng)共振，提高了能量的采集效率，因為支撐彈簧（8）的作用，在共同產(chǎn)生共振時，第一級振動集系統(tǒng)的振動幅度得到數(shù)倍的提升，進(jìn)一步提高振動能量的輸出功率，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)境瓶頸問題，尤其適用于弱強(qiáng)度振動環(huán)境的能量采集，并且其立柱形的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)型簡單，體積小，可以根據(jù)需求方便調(diào)節(jié)采集性能，節(jié)約制作成本。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電磁式非線性諧振升頻振動能量采集裝置，包括第一級振動系統(tǒng)和第二級振動系統(tǒng)，所述第一級振動系統(tǒng)又包括低頻振動能量采集子系統(tǒng)和高頻振動能量采集子系統(tǒng)，所述低頻振動能量采集子系統(tǒng)包括：T型端蓋（1）、定位套筒(2)、低頻支撐彈簧(3)、線圈套筒(4)、線圈(5)和圓柱形永磁體(6)，T型端蓋(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端蓋（1）上安裝圓柱形永磁體（6）,圓柱形永磁體（6）外套低頻支撐彈簧（3），所述低頻支撐彈簧（3）的另一端連接線圈套筒（4），線圈套筒（4）是沿圓周方向開設(shè)凹槽的圓柱體，其橫截面是工字型，所述圓柱體中心設(shè)置通孔，穿過圓柱形永磁體（6），所述凹槽上還纏繞線圈（5）；所述高頻振動能力采集子系統(tǒng)包括：T型端蓋（1）、定位套筒(2)、高頻支撐彈簧(7)、線圈套筒(4)、線圈(5)和圓柱形永磁體(6)，T型端蓋(1) 固定在定位套筒（2）的底部，T型端蓋（1）上安裝圓柱形永磁體（6）,圓柱形永磁體（6）外套高頻支撐彈簧（7），所述高頻支撐彈簧（3）的另一端連接線圈套筒（4），線圈套筒（4）穿過圓柱形永磁體（6），所述凹槽上還纏繞線圈（5），高頻支撐彈簧（7）的圈數(shù)多于低頻支撐彈簧（3），將所述低頻振動能量采集子系統(tǒng)放置在高頻振動能量采集子系統(tǒng)上方，通過定位套筒（2）上的螺紋配合緊固后組成所述第一級振動系統(tǒng)，定位套筒（2）外圍有凸出的圓臺，圓柱形永磁體（6）靠近的兩端磁極相異；所述第二級振動系統(tǒng)包括支撐彈簧（8）、基底（9）、上部定位框體（13）、下部定位框體（10）、環(huán)形永磁體（11）和兩極環(huán)形永磁體（12），上部定位框體（13）、下部定位框體（10）和基底（9）依次緊固連接，上部定位框體（13）和下部定位框體（10）內(nèi)壁分別嵌入環(huán)形永磁體（11），環(huán)形永磁體（11）的外壁分別與上部定位框體（13）和下部定位框體（11）的內(nèi)壁過盈連接,環(huán)形永磁體（11）嵌套所述第一級振動系統(tǒng)，并留有空隙，環(huán)形永磁體（11）的兩極是環(huán)形平面，磁極方向與其嵌套的圓柱形永磁體（6）相同，基底（9）通過支撐彈簧（8）連接所述第一級振動系統(tǒng)，支撐彈簧（8）提供所述第一級振動系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力，定位套筒（2）外圍圓臺間再嵌入一個兩極環(huán)形永磁體（12），所述兩極環(huán)形永磁體（12）的兩極是環(huán)形平面,且磁極與面對的環(huán)形永磁體（11）的磁極相同，產(chǎn)生磁性斥力。環(huán)形永磁體（11）和兩極環(huán)形永磁體（12）組合所產(chǎn)生的排斥磁力和第一級振動系統(tǒng)的位移滿足立方比關(guān)系，組成一個立方非線性系統(tǒng)，具體關(guān)系表達(dá)式為：F=kx^3，其中F是排斥磁力，x是第一級振動系統(tǒng)的位移，k是非線性常數(shù)，磁性斥力為第一級振動系統(tǒng)提供強(qiáng)立方非線性彈性恢復(fù)力。當(dāng)環(huán)境中產(chǎn)生與第二級振動系統(tǒng)的激勵頻率一致的振動時，所述第二級振動系統(tǒng)先產(chǎn)生共振，并帶動第一級振動系統(tǒng)振動產(chǎn)生位移，所述立方非線性系統(tǒng)繼而產(chǎn)生一次諧波和奇次諧波，因為階數(shù)越大，其能量貢獻(xiàn)越小，一次和三階諧波能量最為突出，那么就設(shè)定低頻振動能量采集子系統(tǒng)的固有頻率與一次諧波頻率相同，高頻振動能量采集子系統(tǒng)的固有頻率與三階諧波頻率相同，固有頻率由彈簧剛度和振子端部連接的質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)?shù)皖l振動能量采集子系統(tǒng)和高頻振動能量采集子系統(tǒng)產(chǎn)生共振后，線圈（5）沿著低頻支撐彈簧（3）和高頻支撐彈簧（7）的運(yùn)動方向，在不均勻的磁場中做切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生電能。

進(jìn)一步的，定位套筒（2）和T型端蓋（1），兩極環(huán)形永磁體（12）和定位套筒（2）外圍圓臺間的空隙處，均通過過盈配合裝配。

進(jìn)一步的，T型端蓋（1）和線圈套筒（4）開有環(huán)形沉槽，低頻支撐彈簧（3）和高頻支撐彈簧（7）的末端均磨平，與環(huán)形沉槽的內(nèi)圈過盈配合，并用開口擋圈壓緊。

進(jìn)一步的，線圈（5）采用銅材料制作。

進(jìn)一步的，圓柱形永磁體（6）采用NdFeB材料制作。

進(jìn)一步的，低頻支撐彈簧（3）采用鈹青銅材料制作。

進(jìn)一步的，該裝置直徑為40-50mm，高為60-80mm。

本發(fā)明的有益效果為：（1）第二級振動系統(tǒng)處于主共振狀態(tài)，使得第一級振動系統(tǒng)的振動幅度得到數(shù)倍的提升，對于低頻能量采集子系統(tǒng)而言，其亦處于共振狀態(tài)，銅線圈在磁場中的振蕩幅度也隨之正比提升，采集效能大幅提高；（2）對于高頻能量采集子系統(tǒng)，三階諧波振動使其產(chǎn)生共振，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，因此高頻采集子系統(tǒng)的高頻大幅值共振振動使得有效的電能輸出產(chǎn)生數(shù)量級的提升；（3）本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，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)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-T型端蓋，2-定位套筒，3-低頻支撐彈簧，4-線圈套筒，5-線圈，6-圓柱形永磁體，7-高頻支撐彈簧，8-支撐彈簧，9-基底，10-下部定位框體，11-環(huán)形永磁體，12-兩極環(huán)形永磁體，13-上部定位框體，14-搭子。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供一種電磁式非線性諧振升頻振動能量采集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置包括第一級振動系統(tǒng)和第二級振動系統(tǒng)。第一級振動系統(tǒng)為振動能量采集系統(tǒng)，其主要功能為能量的收集，由低頻和高頻振動能量采集子系統(tǒng)構(gòu)成。低頻振動能量采集子系統(tǒng)由T型端蓋1、定位套筒2、低頻支撐彈簧3、線圈套筒4、線圈5及圓柱形永磁體7。T型端蓋1通過過盈裝配固定在定位套筒2的一端，T型端蓋1上開設(shè)沉槽，與末端磨平的低頻支撐彈簧3過盈連接，低頻支撐彈簧3內(nèi)嵌套圓柱形永磁體6，S極固定在T型端蓋1上，低頻支撐彈簧3還連接線圈套筒4，線圈套筒4是一個中心設(shè)有通孔，外壁沿圓周方向開設(shè)凹槽的圓柱體，其截面為工字型，通孔穿過圓柱形永磁體6，凹槽上纏繞線圈5，線圈,5采用銅材料制作，圈數(shù)越多，發(fā)電性能越好。高頻振動能量采集子系統(tǒng)具有相似的結(jié)構(gòu)，包括T型端蓋1、定位套筒2、高頻支撐彈簧7、線圈套筒4、線圈5及圓柱形永磁體6。圓柱形永磁體6采用NdFeB材料制作，連接T型端蓋1的那一端磁極為N極。兩個線圈套筒4上設(shè)置相互配合的螺紋，其外圍有凸出的圓臺，通過旋緊螺紋低頻能量采集子系統(tǒng)和高頻能量采集子系統(tǒng)緊固連接，共同組成第一級振動系統(tǒng)，其擺放位置為低頻能量采集子系統(tǒng)在上，高頻能量采集子系統(tǒng)在下，兩個圓柱形永磁體6異性磁極靠近并留有空隙。低頻能量采集子系統(tǒng)和高頻能量采集子系統(tǒng)的固有頻率由低頻支撐彈簧3、高頻支撐彈簧7的圈數(shù)，和線圈套筒4纏繞線圈5后的質(zhì)量共同決定，因為立方非線性系統(tǒng)中一次諧波和三階諧波能量最高，我們設(shè)置低頻能量采集子系統(tǒng)的固有頻率與第二級振動系統(tǒng)的響應(yīng)頻率相同，高頻能量采集子系統(tǒng)的固有頻率為低頻能量采集子系統(tǒng)固有頻率的三倍。

第二級振動系統(tǒng)由支撐彈簧8、基底9、下部定位框體10、上部定位框體13和環(huán)形永磁體11、兩極環(huán)形永磁體12和第一級振動系統(tǒng)組成，第二級振動系統(tǒng)的固有頻率為環(huán)境激勵頻率。第一級振動系統(tǒng)通過支撐彈簧8與基底連接，第一級振動系統(tǒng)的定位套筒2上有凸起的圓臺，圓臺之間的空隙處放置兩極環(huán)形永磁體12，被夾緊在圓臺之間，其環(huán)形平面為磁體兩極，上方平面為N極，下方平面為S極。上部定位框體13為封頂?shù)膱A筒形，下部定位框體10是通透的圓筒形，他們的內(nèi)外徑均相同，將上部定位框體13封頂?shù)囊幻孀鳛轫斆?，另一面與下部定位框體連接，其連接面上均設(shè)置搭子14，采用規(guī)格M1.2的螺釘穿過搭子14的通孔緊固連接，下部定位框體10再通過螺釘和基底9固定。沿圓周方向在上部定位框體13和下部定位框體10內(nèi)側(cè)設(shè)置凹槽，其連接線是凹槽的中心線，凹槽的上下兩端均放置S極在上，N極在下的環(huán)形永磁體11，兩極環(huán)形永磁體12在環(huán)形永磁體11之間，與環(huán)形永磁體11產(chǎn)生斥力，為第一級振動系統(tǒng)提供了強(qiáng)立方彈性恢復(fù)力，組成一個立方非線性系統(tǒng)。

當(dāng)振動發(fā)生時，第二級振動系統(tǒng)發(fā)生共振，帶動第一級振動系統(tǒng)振動產(chǎn)生位移，所述立方非線性系統(tǒng)繼而產(chǎn)生一次諧波和奇次諧波，一次諧波激發(fā)低頻振動能量采集子系統(tǒng)共振，奇次諧波中的三階部分激發(fā)高頻能量采集子系統(tǒng)共振，所述線圈沿著低頻支撐彈簧和高頻支撐彈簧的運(yùn)動方向，在不均勻的磁場中做切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生電能。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。