過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定在絕緣襯底上，使器件磁通密度增加。
[0036]彈簧支撐結(jié)構(gòu)5、固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8，是在室溫下通過(guò)多次疊層電鍍金屬制作或微電鑄制作而成。
[0037]振動(dòng)永磁體I為圖形化的方形或圓形結(jié)構(gòu)，直徑或邊長(zhǎng)為400-1000微米，厚度為50-1000微米，多個(gè)振動(dòng)永磁體位于平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈6的上方，增大了平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈6的有效長(zhǎng)度，從而增大輸出功率。
[0038]通過(guò)適當(dāng)控制振動(dòng)永磁體I的質(zhì)量、位置、形狀、或彈簧7的形狀、結(jié)構(gòu)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，調(diào)節(jié)拾振結(jié)構(gòu)單元的固有頻率，實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)。
[0039]彈簧7由單匝或多匝S形結(jié)構(gòu)或雙S形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過(guò)電鍍鎳或電鍍銅制成，其中S形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為20-100微米，S形結(jié)構(gòu)的平直部分長(zhǎng)為50-500微米，單個(gè)S形彈簧長(zhǎng)度為50-500微米。
[0040]彈簧7位于每個(gè)振動(dòng)永磁體I的周?chē)?，所有S形轉(zhuǎn)彎處均為圓角，使振動(dòng)永磁體受力均勻，克服了懸臂梁或簡(jiǎn)支梁應(yīng)力集中的問(wèn)題，加大了磁體振幅。[0041 ]由彈簧7連接的振動(dòng)永磁體I垂直于絕緣襯底4上下振動(dòng)，在平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈6中產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)能量采集，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧7的剛度實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動(dòng)能量采集。
[0042]一種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的絕緣襯底上第一層結(jié)構(gòu)如圖3所示，從絕緣襯底4之上到頂端主要分為三層制造。絕緣襯底4上第一層包括彈簧支撐結(jié)構(gòu)5，平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈6，固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8。絕緣襯底4上第二層包括振動(dòng)托盤(pán)3，彈簧7，彈簧支撐結(jié)構(gòu)5，固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8。絕緣襯底上的第三層包括振動(dòng)永磁體I和固定永磁體2。
[0043]圖1、2、3所示為2X2陣列的微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，大于此陣列的微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器可按此排布方式進(jìn)行重復(fù)設(shè)置。
[0044]本發(fā)明主要用于采集自然環(huán)境中廣泛存在的50-500赫茲中某一特定頻率范圍內(nèi)的低頻振動(dòng)能。通過(guò)由振動(dòng)永磁體、與之連接的振動(dòng)托盤(pán)及彈簧組成的拾振結(jié)構(gòu)單元與外界發(fā)生諧振，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)器件在這一特定頻率范圍內(nèi)振動(dòng)時(shí)，通過(guò)平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生較大感應(yīng)電流。根據(jù)理論分析，能量采集器通常應(yīng)工作在諧振狀態(tài)，即拾振固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相等時(shí)，受迫振動(dòng)振幅最大，因而輸出功率最大。
[0045]本發(fā)明采用了由若干個(gè)圓形或方形振動(dòng)永磁體組成的拾振結(jié)構(gòu)單元陣列來(lái)響應(yīng)外界環(huán)境中的振動(dòng)，且拾振結(jié)構(gòu)單元陣列共用同一個(gè)平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈，根據(jù)有限元理論進(jìn)行諧振響應(yīng)分析，分析陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器在一定頻率的正弦激勵(lì)下的受迫振動(dòng)情況。當(dāng)加速度作用在陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的幾何中心時(shí)，各振動(dòng)永磁體在正弦激勵(lì)下的受迫振動(dòng)是同相位的。由于空氣中的機(jī)械波傳播速度大于300米每秒，因此100赫茲時(shí)機(jī)械波波長(zhǎng)大于3米，而陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的線(xiàn)性尺度一般不超過(guò)I厘米，即波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的線(xiàn)性尺度，當(dāng)陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器隨著激勵(lì)正弦波上下振動(dòng)時(shí)，在波峰波谷處產(chǎn)生的極短暫相位差可忽略不計(jì)，因?yàn)榭烧J(rèn)為在受迫振動(dòng)時(shí)一直是相同相位的，可共用同一個(gè)平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈。
[0046]本發(fā)明振動(dòng)永磁體、與之連接的振動(dòng)托盤(pán)及彈簧組成的拾振結(jié)構(gòu)單元，主要通過(guò)改變磁通量來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而不是切割磁感線(xiàn)，即振動(dòng)永磁體位于平面感應(yīng)線(xiàn)圈的一側(cè)，不穿過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈所在平面。利用S形彈簧作為振動(dòng)永磁體與支撐結(jié)構(gòu)之間的連接使得振動(dòng)永磁體具有更大的自由度，產(chǎn)生更大的振幅，提高輸出功率，并對(duì)外界振動(dòng)產(chǎn)生緩沖，避免應(yīng)力集中折斷或拉壞;而且當(dāng)加速度與垂直振動(dòng)方向有偏移時(shí)，磁體在水平方向產(chǎn)生擺動(dòng)或輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，提高了能量采集效率。
[0047]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施例做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈和拾振結(jié)構(gòu)單元，所述拾振結(jié)構(gòu)單元包括振動(dòng)永磁體和振動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈和所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述絕緣襯底上，所述振動(dòng)永磁體固定在所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)上，其特征在于:在所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)分布陣列排布的所述拾振結(jié)構(gòu)單元，各所述振動(dòng)永磁體分別設(shè)置各自獨(dú)立的所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述拾振結(jié)構(gòu)單元周?chē)O(shè)置有增加磁通密度的固定永磁體，所述固定永磁體設(shè)置在絕緣襯底上的固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述振動(dòng)永磁體、所述固定永磁體與所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈位于不同的平面上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述各固定永磁體位于多個(gè)兩兩相鄰的拾振結(jié)構(gòu)單元的交匯處。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元的總線(xiàn)型尺度小于一厘米，用于保證極短暫的可以忽略不計(jì)的相位差。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:各所述拾振結(jié)構(gòu)單元可以具有不同的結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)不同固有頻率的寬頻振動(dòng)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)彈簧、至少一個(gè)彈簧支撐結(jié)構(gòu)和一個(gè)振動(dòng)托盤(pán)，各所述彈簧自由端同時(shí)連接所述振動(dòng)托盤(pán)，各彈簧支撐結(jié)構(gòu)分布在所述振動(dòng)托盤(pán)周?chē)慕^緣襯底上且分別與各所述彈簧支撐端相連接，各所述振動(dòng)永磁體固定在各所述振動(dòng)托盤(pán)上。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述振動(dòng)永磁體采用圖形化方式制造，通過(guò)振動(dòng)托盤(pán)固定在彈簧自由端;所述固定永磁體采用圖形化方式制造，通過(guò)固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)固定在絕緣襯底上;所述彈簧支撐結(jié)構(gòu)、固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)是通過(guò)電鍍銅金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述彈簧為由電鍍鎳或電鍍銅制成的單匝或多匝S形結(jié)構(gòu)，其中S形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為20-1OO微米，S形結(jié)構(gòu)的平直部分長(zhǎng)為50-500微米，單個(gè)S形彈簧長(zhǎng)度為50-500微米。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述拾振結(jié)構(gòu)單元周?chē)墓潭ㄓ来朋w為4個(gè)，以正方形方式或圓形方式設(shè)置在拾振結(jié)構(gòu)單元周?chē)?；所有的所述固定永磁體以陣列方式排布;所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)包括4個(gè)彈簧，各彈簧支撐結(jié)構(gòu)以正方形或圓形方式分布在所述振動(dòng)永磁體的周?chē)?；在任意四個(gè)兩兩相鄰的拾振結(jié)構(gòu)單元組成的圖形中心設(shè)置有固定永磁體。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈為多層多匝螺旋金屬銅線(xiàn)圈按螺旋漸開(kāi)的方式組合而成;所述平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈上涂附有絕緣材料層，用于使平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈匝間相互絕緣。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈、拾振結(jié)構(gòu)單元和固定永磁體，所述拾振結(jié)構(gòu)單元包括振動(dòng)永磁體和振動(dòng)結(jié)構(gòu)，平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在絕緣襯底上，在平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)設(shè)置陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元，各所述振動(dòng)永磁體分別設(shè)置獨(dú)立的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，各所述拾振結(jié)構(gòu)單元周?chē)O(shè)置有增加磁通密度的所述固定永磁體，所述固定永磁體增大了磁通密度，提高了采集器的輸出功率；各所述振動(dòng)永磁體獨(dú)立振動(dòng)，可同時(shí)達(dá)到最大振幅，并可實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)；共用一個(gè)平面螺旋感應(yīng)線(xiàn)圈增大了線(xiàn)圈半徑，減小了內(nèi)圈匝數(shù)，有效增大品質(zhì)因數(shù)，增大了能量的轉(zhuǎn)化效率。
【IPC分類(lèi)】H02K35/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105515332
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610074909
【發(fā)明人】董瑛, 譚羽杉
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)深圳研究生院
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2016年2月2日