[发明专利]一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置

说明书

本发明公开一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，包括：基底、绝缘层、感应线圈绕组、永磁体、软磁铁芯、两侧软磁、软磁摆臂和软磁振子，永磁体布置在基底下，线圈绕组下，感应线圈固定在绝缘衬底中，绕组两侧的软磁铁芯与永磁N、S极分别相连，绕组中央铁芯位于永磁体中央，软磁摆臂与中央铁芯相连，软磁振子位于软磁摆臂末端。软磁振子发生双稳态振动，线圈中磁通发生反转，磁通更加集中，机‑电能量转换效率高、工作带宽大、易于集成制造。

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的采集器，特别是一种基于磁通转向的定圈式微机械电磁振动能量采集器。

背景技术

随着无线传感器、各类植入式传感器等研究的不断深入，如何为这些器件供电已成为进一步推进其应用研究需要解决的关键问题。振动能量采集技术能够将环境中普遍存在的低频机械振动能转化为电能，从而全天候、长期(10年以上)输出电能，克服传统的电池及电源线供电方式所带来的铺设、更换成本高、难以为植入式器件供电等缺陷，因此已成为解决上述问题的主流方案之一。

目前微型化振动能量采集器的工作带宽和输出功率太低，已成为限制其应用的瓶颈问题之一。究其原因，根据理论分析，对于微型振动式能量采集器而言，其能量传递过程实际上可以分为两个阶段，首先是内部振子在输入的环境振动的作用下发生受迫振动、实现机械能的传递；其次是振子振动导致通过线圈绕组的磁通量改变，在法拉第电磁感应效应作用下产生感生电动势，完成机械能向电能的转换。由于输入的环境振动能取决于所处环境，无法随意调整，因此提高器件的工作带宽和输出功率的关键在于如何针对输入环境振动的特点提高上述环节中的能量传递-转换效率。

现有研究分别从利用双稳态振动提高振动能量传递效率和利用磁路优化提高能量转换效率的角度开展了大量的探索，但由于仅从单方面因素考虑，分别局限在结构动力学优化及磁路优化领域，难于从机-电能量传递/转换全过程的角度对能量转换效率进行整体性优化，难以充分发掘这两种方法相辅相成、提升器件性能方面的巨大潜力。且许多方案都是宏观器件层面上的原理性试验，难以应用在微型化器件中。如何在空间有限的微型器件中，综合运用上述方法提高器件性能，仍是亟待解决的应用关键问题。

经对现有技术文献的检索发现，Xing等在《Applied Physics Letters》(应用物理快报)，Vol95,No.134103,2009撰文“Wideband vibration energy harvester with highpermeability magnetic material(基于高磁导率磁性材料的宽频振动能量采集器)”，该文提出一种磁路结构，通过铁芯振动过程中，在两个磁极相反方向的偏置永磁体之间来回切换，不仅改变磁通量的大小，更改变其方向，从而大幅度改变通过感应线圈中的磁通量变化率。实验结果表明，在相同输入振动作用下，与仅改变磁通大小相比，通过磁性反转同时改变磁通方向和大小，能将输出电压峰值从约8mV提升至544mV，提高约两个数量级。同时，工作带宽也明显增加，展示了磁路优化的在提升能力转换效率方面的巨大潜力。但是上述方案由于磁路是开放式的，相当一部分磁通并没有进入感应线圈绕组，而是发散开来的，从磁路优化的角度，仍有巨大的潜力没有被充分挖掘出来。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，使其满足对振动能量机-电能量转换效率高、工作带宽大、易于集成制造等方面的综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，

一种利用磁通转向提高发电效率的微型振动能量采集装置，包括：基底、绝缘层、感应线圈绕组、永磁体、软磁铁芯、两侧软磁、软磁摆臂和软磁振子，永磁体布置在基底下，永磁体上表面与基底下表面平齐，位于感应线圈绕组下；绝缘层位于基底上；感应线圈绕组固定在绝缘层中；位于感应线圈绕组的两侧软磁固定在绝缘层中，与永磁体N、S极分别相连；感应线圈绕组的软磁铁芯位于永磁体中央，软磁铁芯的下半部分位于绝缘层中，上半部分高出绝缘层；软磁摆臂与软磁铁芯上半部分相连；软磁振子位于软磁摆臂末端。