[发明专利]基于折叠悬臂梁的电磁式振动能量收集器

说明书

本发明属于振动能量发电领域，提供一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动能量收集器，包括底座、质量块和折叠悬臂梁，底座的两端与折叠悬臂梁的端部与固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，质量块包围线圈并固定在折叠悬臂梁下，在相邻线圈之间的质量块内嵌入安装永磁体，永磁体、质量块与折叠悬臂梁共同构成弹簧质量块振荡系统。本发明具有结构紧凑，机电转换效率高等优势，特别适合作为无线传感器节点的电源。

技术领域

本发明属于振动能量发电领域，涉及带有可动磁体和静止线圈系统的发电机，具体涉及一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动能量收集器。

背景技术

在集成化技术快速发展的时代背景下，无线传感器技术朝向微小型化、网络化发展，广泛用于设备工作过程、结构健康检测等方面。传统无线传感器节点采用电池驱动，存在工作寿命有限，需要频繁更换电池的问题，对于规模庞大、节点数量众多的无线传感器网络而言，实施这种应用方式需要的维护成本很高。实际上，无线传感器设备的工作环境中往往存在许多形式的能量，如光能、机械能、电磁能等，能够将环境能量转换为电能的能量收集器件，可以实现无线传感器系统的自主化供能，避免了电池供电所带来的大规模应用问题。为汽车、船舶等交通工具提供动力的燃油发动机，工作时其表面会产生一定幅度和频率的机械振动，存在振动机械能，对这种能量加以收集可以驱动应用与发动机结构健康监测等方面的微小型无线传感器系统。

根据能量转换模式区分，振动能量收集器主要包括压电式、电磁式和静电式，其中压电式振动能量收集器输出阻抗高、电压高，需要复杂的阻抗匹配设计；静电式能量收集器通常采用可变电容设计，尺寸较小，能量转换效率很低；电磁式能量收集器具有合适的阻抗和输出电压，缺点是设计结构相对复杂。因此，合理设计能量收集器结构对于电磁式振动能量收集器的大规模应用是十分必要的。

经检索，中国专利文献CN104104205A公开了一种用于汽车胎压监测的悬臂式振动能量采集器，包括依次连接的悬臂梁式能量采集柱形单元、充电控制电路、储能电路和电源输出电路，悬臂梁式能量采集柱形单元包括圆柱形外壳、悬臂梁、永磁体、铁芯和电磁线圈，悬臂梁的固定端和铁芯均固定在圆柱型外壳上，电磁线圈嵌绕在铁芯上，永磁体固定在悬臂梁的自由端，永磁体与铁芯位置相对。用于采集汽车行驶过程中轮胎周期转动时悬臂梁的质量块上作用的交变重力引起的周期性振动的能量，以及由于路面不平使汽车轮胎产生随机振动的能量，采集的能量用于对汽车胎压监测系统发射端进行供电。

对于电磁式能量收集器而言，最为重要的换能组件是弹性结构和内部磁场。传统单直梁式的弹性结构虽然结构设计简单，但是体积较大，空间利用率低，对于尺寸微小的无线传感器节点而言实用性较差，因此在保证弹性系数以及特征频率可控的基础上，减少悬臂梁的尺寸、优化悬臂梁的空间布局对于降低能量收集器体积十分重要，同时也有助于多个能量收集器单元实现阵列化设计。另一方面，内部磁场的磁路设计对于磁电的耦合程度具有很大影响，优化磁路设计，减少磁场的泄露对于提高能量收集器的机电转换效率非常重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明缩小了悬臂梁的尺寸、并优化悬臂梁的空间布局，设计出一种全新的振动能量收集器。

技术方案：本发明提供的基于折叠悬臂梁的电磁式振动能量收集器，包括底座、质量块和折叠悬臂梁，所述折叠悬臂梁的两端与中部组成迂回结构，两端与底座固定连接，中部与质量块固定连接；若干线圈经支撑座固定连接在底座上，所述质量块包围线圈，在相邻线圈之间的质量块内嵌入安装永磁体，所述永磁体、质量块与折叠悬臂梁共同构成弹簧质量块振荡系统。

具体地，所述线圈呈矩形，每个支撑座固定两个线圈。

具体地，所述支撑座固定于底座或与底座一体成型。

具体地，所述永磁体固定连接在质量块上，并且材质为钕铁硼合金。

具体地，所述折叠悬臂梁材质为铍青铜，采用中心对称的结构，具有单折叠的形状。