本發(fā)明屬于能量收集技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種低頻振動(dòng)電磁能量收集器。

背景技術(shù)：

振動(dòng)是自然界一種基本物理現(xiàn)象。利用振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的方式用于能量收集有多種，例如壓電式、電容式及電磁式等。其中電容式能量收集需要單獨(dú)設(shè)置預(yù)充電源，壓電式能量收集制工復(fù)雜。

對(duì)于電磁式收集方式，隨著器件結(jié)構(gòu)微型化致使器件固有頻率極大增加，因此導(dǎo)致低頻振動(dòng)的能量收集，特別是低于60Hz的振動(dòng)頻率，存在能量收集產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)瓶頸。

因此急需一種技術(shù)方案能夠有效的實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)電磁式能量收集，同時(shí)制工和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何有效的實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)電磁式能量收集，同時(shí)制工和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種低頻振動(dòng)電磁能量收集器，所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器包括能量收集器殼體、懸臂梁長(zhǎng)板、懸臂梁短板、碰撞質(zhì)量塊、磁場(chǎng)產(chǎn)生件以及多匝線圈；

所述懸臂梁長(zhǎng)板的一端固定于所述能量收集器殼體的一側(cè)面的內(nèi)表面，所述懸臂梁長(zhǎng)板的另一端的固定有所述多匝線圈；所述懸臂梁短板的一端固定于固定所述懸臂梁長(zhǎng)板的側(cè)面的內(nèi)表面，所述懸臂梁短板位于所述懸臂梁長(zhǎng)板的正上方，并且所述懸臂梁短板與所述懸臂梁長(zhǎng)板平行，所述懸臂梁短板的另一端的下板面固定有所述碰撞質(zhì)量 塊，所述碰撞質(zhì)量塊距離所述懸臂梁長(zhǎng)板預(yù)定距離；所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件固定與所述能量收集器殼體的內(nèi)表面，并且所述多匝線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)切割所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件的磁感線；

振動(dòng)環(huán)境提供振動(dòng)激勵(lì)給所述能量收集器殼體，所述懸臂梁短板隨所述振動(dòng)激勵(lì)同時(shí)發(fā)生振動(dòng)，所述碰撞質(zhì)量塊對(duì)所述懸臂梁長(zhǎng)板的預(yù)定位置發(fā)生碰撞，使所述懸臂梁長(zhǎng)板產(chǎn)生接近其本身固有頻率的振動(dòng)，所述多匝線圈以與所述懸臂梁長(zhǎng)板相同的頻率振動(dòng)，切割磁感線，產(chǎn)生的電信號(hào)。

優(yōu)選地，所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器還包括導(dǎo)線，所述導(dǎo)線與所述多匝線圈連接，用于將所述多匝線圈產(chǎn)生的電信號(hào)導(dǎo)出。

優(yōu)選地，所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器還包括負(fù)載電阻，所述負(fù)載電阻通過(guò)所述導(dǎo)線與所述多匝線圈并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長(zhǎng)板固定于其所在側(cè)面的幾何中心位置處。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長(zhǎng)板的長(zhǎng)度大于所述述懸臂梁短板的長(zhǎng)度。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長(zhǎng)板的固有頻率大于所述懸臂梁短板的固有頻率，所述懸臂梁短板的固有頻率接近所述振動(dòng)激勵(lì)的頻率。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長(zhǎng)板的固有頻率為中高頻，所述振動(dòng)激勵(lì)的頻率為低頻。

優(yōu)選地，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件包括兩塊永久磁鐵塊，所述兩塊永久磁鐵塊分別固定于所述能量收集器殼體的頂面的內(nèi)表面和底面的內(nèi)表面，并且所述兩塊永久磁鐵塊分別位于所述多匝線圈的正上方和正下方。

優(yōu)選地，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件由一塊以上的永久磁鐵塊疊加形成，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件固定于與固定所述懸臂梁長(zhǎng)板的側(cè)面相對(duì)的側(cè)面的內(nèi)表面上，并且所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件與所述懸臂梁長(zhǎng)板固定的位置相對(duì)應(yīng)。

優(yōu)選地，所述多匝線圈為圓形或矩形。

本發(fā)明提供了一種低頻振動(dòng)電磁能量收集器，本發(fā)明的電磁能量收集器實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)模態(tài)向中高頻振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)化接近其中懸臂梁長(zhǎng)板的固有振動(dòng)頻率，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)的多匝線圈切割磁感線產(chǎn)生電信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)電磁式能量收集，并且通過(guò)碰撞的方式來(lái)極大提高了電磁式懸臂梁結(jié)構(gòu)的低頻能量收集帶寬。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的立體圖；

圖3為本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的立體圖；

圖5A、5B為本發(fā)明的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的多匝線圈的截面示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不能用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

一種低頻振動(dòng)電磁能量收集器，如圖1、2所示，所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器包括能量收集器殼體1、懸臂梁長(zhǎng)板2、懸臂梁短板10、碰撞質(zhì)量塊9、磁場(chǎng)產(chǎn)生件7和3以及多匝線圈8。所述懸臂梁長(zhǎng)板2的一端固定于所述能量收集器殼體1的一側(cè)面的內(nèi)表面，所述懸臂梁長(zhǎng)板2的另一端的固定有所述多匝線圈，優(yōu)選地，多匝線圈固定于懸臂梁長(zhǎng)板2的另一端的上板面；所述懸臂梁短板10的一端固定于固定所述懸臂梁長(zhǎng)板2的側(cè)面的內(nèi)表面，所述懸臂梁短板10位于所述懸臂 梁長(zhǎng)板2的正上方，即臂梁短板10固定于固定所述懸臂梁長(zhǎng)板2的側(cè)面的中心區(qū)域偏上的位置，并且所述懸臂梁短板10與所述懸臂梁長(zhǎng)板2平行，所述懸臂梁短板10的另一端的下板面固定有所述碰撞質(zhì)量塊9，所述碰撞質(zhì)量塊9距離所述懸臂梁長(zhǎng)板2預(yù)定距離，優(yōu)選地，所述預(yù)定距離根據(jù)實(shí)際需要可進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件7和3固定與所述能量收集器殼體1的內(nèi)表面，并且所述多匝線圈8運(yùn)動(dòng)時(shí)切割所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件的磁感線，即多匝線圈8運(yùn)動(dòng)時(shí)，永久磁鐵塊3、7產(chǎn)生的電磁場(chǎng)需要切割于多匝線圈8的幾何結(jié)構(gòu)面。優(yōu)選地，上述預(yù)定距離為微小距離。

振動(dòng)環(huán)境提供振動(dòng)激勵(lì)給所述能量收集器殼體1，所述懸臂梁短板10隨所述振動(dòng)激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)所述懸臂梁長(zhǎng)板2可能隨殼體1的振動(dòng)同時(shí)發(fā)生振動(dòng)，也可能由于殼體1振動(dòng)頻率過(guò)低不能使懸臂梁長(zhǎng)板2隨著發(fā)生震動(dòng)。所述碰撞質(zhì)量塊9隨著懸臂梁短板10的振動(dòng)而振動(dòng)，從而對(duì)所述懸臂梁長(zhǎng)板2的預(yù)定位置發(fā)生碰撞，使所述懸臂梁長(zhǎng)板2產(chǎn)生接近其本身固有頻率的振動(dòng)，固定于懸臂梁長(zhǎng)板2另一端的所述多匝線圈8以與所述懸臂梁長(zhǎng)板2相同的頻率振動(dòng)，切割磁場(chǎng)產(chǎn)生件7、3產(chǎn)生的磁感線，產(chǎn)生的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)能量的收集。產(chǎn)生的電信號(hào)可以存儲(chǔ)，當(dāng)然也可以直接接到用電裝置上使用。其中，上述預(yù)定位置可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整懸臂梁長(zhǎng)板2和懸臂梁短板10的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。

上述電磁能量收集器實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)模態(tài)向中高頻振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)化接近其中懸臂梁長(zhǎng)板的固有振動(dòng)頻率，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)的多匝線圈切割磁感線產(chǎn)生電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)電磁式能量收集，并且通過(guò)碰撞的方式來(lái)極大提高了電磁式懸臂梁結(jié)構(gòu)的低頻能量收集帶寬。

進(jìn)一步地，所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器還包括導(dǎo)線4、6，所述導(dǎo)線4、6與所述多匝線圈8連接，用于將所述多匝線圈8產(chǎn)生的電信號(hào)導(dǎo)出。所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器還包括負(fù)載電阻5，所述負(fù)載電阻5通過(guò)所述導(dǎo)線4、6與所述多匝線圈8并聯(lián)，如圖1所示。當(dāng)沒(méi)有 洛倫茲力耦合振動(dòng)模態(tài)時(shí)，負(fù)載電阻5的阻值接近于多匝線圈8的電阻值時(shí)，收集的平均能量最大。

進(jìn)一步地，所述懸臂梁長(zhǎng)板2位于但不限于其所在側(cè)面的幾何中心位置處。只要懸臂梁長(zhǎng)板2固定的位置可以很好地在懸臂梁短板10的作用下發(fā)發(fā)生振動(dòng)即可。優(yōu)選地，所述懸臂梁長(zhǎng)板2的長(zhǎng)度大于所述述懸臂梁短板10的長(zhǎng)度。

進(jìn)一步地，懸臂梁長(zhǎng)板2的長(zhǎng)、寬與厚尺寸依據(jù)實(shí)際需求來(lái)制定，當(dāng)其尺寸越小，懸臂梁長(zhǎng)板2的固有頻率也就越高。懸臂梁長(zhǎng)板2的存在目的是為多匝線圈8提供運(yùn)動(dòng)。懸臂梁短板10的長(zhǎng)、寬與厚尺寸需依據(jù)外界環(huán)境頻率及碰撞點(diǎn)來(lái)確定，懸臂梁短板10的目的是為碰撞質(zhì)量塊9提供低頻振蕩。懸臂梁長(zhǎng)板2與懸臂梁短板10的空間需保持空間平行。

進(jìn)一步地，所述懸臂梁長(zhǎng)板2的固有頻率大于所述懸臂梁短板10的固有頻率，所述懸臂梁短板10的固有頻率接近所述振動(dòng)激勵(lì)的頻率。其中所述懸臂梁長(zhǎng)板的固有頻率為中高頻，所述振動(dòng)激勵(lì)的頻率為低頻。這種設(shè)計(jì)可以使懸臂梁短板10在振動(dòng)激勵(lì)的作用下非常容易的開(kāi)始振動(dòng)，并且在懸臂梁短板10帶動(dòng)述碰撞質(zhì)量塊對(duì)懸臂梁長(zhǎng)板2碰撞的情況下，使懸臂梁長(zhǎng)板2容易發(fā)生與其固有頻率近似的振動(dòng)。上述中高頻為頻率為100Hz以上的頻率，低頻為頻率為50-60Hz之間的頻率。

進(jìn)一步地，如圖1所示，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件包括兩塊永久磁鐵塊7、3，所述兩塊永久磁鐵塊分別固定于所述能量收集器殼體的頂面的內(nèi)表面和底面的內(nèi)表面，并且所述兩塊永久磁鐵塊7、3分別位于所述多匝線圈8的正上方和正下方。永磁鐵塊7和永磁鐵塊3也可以位于殼體的內(nèi)表面的其他地方，只要保證多匝線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)切割永磁鐵塊7和用磁鐵塊3產(chǎn)生的磁感線即可。優(yōu)選地，永磁鐵塊7的N極與永磁鐵塊3的S極相對(duì)，當(dāng)然并不限于這種方式，例如，永磁鐵塊7的S極與永磁鐵塊3的N極相對(duì)、永磁鐵塊7的N極與永磁鐵塊3的N極相對(duì)、 永磁鐵塊7的S極與永磁鐵塊3的S極相對(duì)。當(dāng)多匝線圈8受激做中高頻縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多匝線圈8上產(chǎn)生洛倫茲力會(huì)與懸臂梁長(zhǎng)板2相互發(fā)生強(qiáng)耦合，其耦合的效果反作用于多匝線圈8縱向運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，如圖5A、5B所示，所述多匝線圈的截面為圓形或矩形，但是并不限于圓形和矩形。

當(dāng)此低頻振動(dòng)電磁式能量收集器安裝在低頻振動(dòng)環(huán)境中或攜帶在人體時(shí)，環(huán)境或人體的振動(dòng)通過(guò)碰撞質(zhì)量塊9撞擊懸臂梁長(zhǎng)板2，使懸臂梁長(zhǎng)板2的自由端不停的縱向做中高頻的振動(dòng)，從而帶動(dòng)多匝線圈8亦做相同的中高頻縱向運(yùn)動(dòng)，多匝線圈8處在永久磁鐵3、7的空間磁場(chǎng)分布之中，因此多匝線圈8隨之產(chǎn)生瞬態(tài)交流電流，瞬態(tài)交流電流隨即輸出到負(fù)載電阻5消耗，從而實(shí)現(xiàn)為各種電子器件或傳感器提供電能。上述收集器采用電磁式原理，利用懸臂梁振動(dòng)進(jìn)行的能量收集結(jié)構(gòu)，易獲得較大的感應(yīng)電流，且制作方便。另外，上述實(shí)施例通過(guò)雙懸臂梁結(jié)構(gòu)及洛倫茲力相互耦合，有效擴(kuò)展能量收集頻帶，同時(shí)也可通過(guò)負(fù)載電阻值及多匝線圈電阻值調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大平均能量收集輸出，從而大幅度提高能量轉(zhuǎn)換效率。

圖3為本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的立體圖。本實(shí)施例的所述低頻振動(dòng)電磁能量收集器包括能量收集器殼體11、懸臂梁長(zhǎng)板12、懸臂梁短板20、碰撞質(zhì)量塊19、磁場(chǎng)產(chǎn)生件13、14以及多匝線圈18、導(dǎo)線15、17以及負(fù)載電阻16。

如圖3、4所示的另一實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器，磁場(chǎng)產(chǎn)生件由兩塊永久磁鐵塊13、14疊加形成，并且所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件固定于與固定所述懸臂梁長(zhǎng)板的側(cè)面相對(duì)的側(cè)面的內(nèi)表面上，優(yōu)選地，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生件與所述懸臂梁長(zhǎng)板固定的位置相對(duì)應(yīng)。永磁鐵塊13和永磁鐵塊14也可以位于殼體的內(nèi)表面的其他地方，只要保證多匝線圈18運(yùn)動(dòng)時(shí)切割永磁鐵塊13和用磁鐵塊14產(chǎn)生的磁感線即可。優(yōu)選地，永磁鐵塊13的N極與永磁鐵塊14的S極接觸，當(dāng)然并不限于這種方 式，例如，永磁鐵塊13的S極與永磁鐵塊14的N極接觸、永磁鐵塊13的N極與永磁鐵塊14的N極接觸、永磁鐵塊13的S極與永磁鐵塊14的S極接觸。當(dāng)多匝線圈18受激做中高頻縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多匝線圈18上會(huì)產(chǎn)生橫向的洛倫茲力，不與懸臂梁長(zhǎng)板12發(fā)生耦合。

此實(shí)施例的低頻振動(dòng)電磁能量收集器的其他結(jié)構(gòu)與上一實(shí)施例相同，這里不再贅述。

本發(fā)明的電磁式能量收集器，把周圍環(huán)境中低頻振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在低頻振動(dòng)激勵(lì)下，低頻振動(dòng)的碰撞質(zhì)量塊會(huì)與懸臂梁長(zhǎng)板特定位置發(fā)生碰撞，碰撞后的懸臂梁長(zhǎng)板會(huì)產(chǎn)生中高頻振動(dòng)，帶動(dòng)固定在懸臂梁長(zhǎng)板自由端的多匝線圈也會(huì)隨之發(fā)生中高頻的振動(dòng)。由于多匝線圈處在永久磁鐵產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)中，當(dāng)多匝線圈發(fā)生切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在多匝線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)交變電流能量，可以輸出至負(fù)載電阻消耗或儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存。本發(fā)明的電磁式能量收集器實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)電磁式能量收集，不需像電容式能量收集器那樣單獨(dú)設(shè)置預(yù)充電源，也不需像壓電式能量收集器那樣制工復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)了電磁式能量收集的無(wú)源化，并且制作工藝簡(jiǎn)單化，同時(shí)通過(guò)碰撞的方式來(lái)極大提高了電磁式懸臂梁結(jié)構(gòu)的低頻能量收集帶寬。

本發(fā)明的收集器可用來(lái)給各種便攜式電子器件、無(wú)線傳感器及可穿戴器件等供電，擺脫電池供電的局限性。

上述兩個(gè)實(shí)施例中，為保證懸臂梁長(zhǎng)板2、12有足夠的彈性形變，可優(yōu)先選用鋁作為懸臂梁長(zhǎng)板2、12的材料，如果微制造需求更小尺寸，亦可使用硅作為懸臂梁長(zhǎng)板2、12材料。為保證懸臂梁短板10、20有足夠的彈性形變，可優(yōu)先選用黃銅作為懸臂梁短板10、20的材料，如果微制造需求更小尺寸，可使用SU8或苯并環(huán)丁烯等作為懸臂梁短板10、20的材料?？捎勉~作為多匝線圈8、18的原材料，多匝線圈8、18的幾何形狀可制作成圓形或者矩形?？捎勉~作為碰撞質(zhì)量塊9、19的原材料，碰撞質(zhì)量塊9、19的下端可與懸臂梁長(zhǎng)板2、12保持足夠小的距離，空間距離根據(jù)需求的能量收集測(cè)算來(lái)確定。選用NdFeB永 久電磁鐵塊3、7、13、14，上下兩塊電磁鐵塊3、7的空間距離盡量保持合理范圍；或左側(cè)電磁鐵塊13、14與懸臂梁長(zhǎng)板2、12自由端空間距離盡量保持合理范圍。負(fù)載電阻5值應(yīng)通過(guò)測(cè)算確定，測(cè)算方法依據(jù)器件的平均收集能量，負(fù)載電阻16值應(yīng)與多匝線圈18電阻值接近。

以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。