本發(fā)明涉及能量收集裝置，尤其是涉及一種二維擺動(dòng)磁懸浮能量收集裝置。

背景技術(shù)：

自然環(huán)境中振動(dòng)無(wú)處不在，如人行走時(shí)產(chǎn)生上下振動(dòng)、汽車顛簸、樹(shù)枝隨風(fēng)搖擺、海浪波動(dòng)等，其振動(dòng)能量通常被忽略，或者被減震器等設(shè)備吸收。

如果把上述振動(dòng)產(chǎn)生的能量收集起來(lái)，替代電池為一些低功耗設(shè)備如微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電，既減少電池造成的環(huán)境污染又突破了電池壽命對(duì)上述節(jié)點(diǎn)造成的使用壽命限制。

通過(guò)觀察，自然環(huán)境中多數(shù)振動(dòng)有以下特點(diǎn)可供設(shè)計(jì)振動(dòng)能量收集裝置時(shí)參考：

1.振動(dòng)頻率低。自然環(huán)境中的振動(dòng)最大的特點(diǎn)為低頻，其典型振動(dòng)頻率一般在2Hz以下。例如步行頻率約為1Hz，慢跑約為2Hz，海面波浪振動(dòng)周期為0.4秒到數(shù)十秒。而目前研究的多數(shù)振動(dòng)能量收集裝置的工作頻率多數(shù)在幾十Hz到幾百Hz，僅個(gè)別可低至2Hz左右。

2.波幅相對(duì)大。步行在豎直方向能產(chǎn)生幾厘米的振動(dòng)，海面波高從十幾厘米到十幾米。其波幅相對(duì)一般的高頻振動(dòng)能量收集裝置來(lái)說(shuō)過(guò)大，遠(yuǎn)超過(guò)其運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)極限，波浪產(chǎn)生的振動(dòng)能量多數(shù)無(wú)法收集。

3.振動(dòng)參數(shù)存在時(shí)變和隨機(jī)性。樹(shù)枝在多變的風(fēng)向、風(fēng)速下，其振幅、周期均發(fā)生變動(dòng)；車輛的顛覆則受路面狀況和車速的影響；海浪的振動(dòng)參數(shù)隨海況變化很大，以波高為例，在2級(jí)海況時(shí)波高平均值大約為1.1英尺到1.6英尺；4級(jí)海況為5.9英尺到6.6英尺；6級(jí)海況為8.9英尺到11.6英尺。而目前多數(shù)振動(dòng)能量收集裝置僅能工作在諧振頻率附近。

4.多維振動(dòng)。柔軟樹(shù)枝順風(fēng)擺動(dòng)通常為2維振動(dòng)；近岸浪由岸底對(duì)波浪的阻礙，使得波浪向岸邊倒卷形成，為2維振動(dòng)；風(fēng)浪是波浪形成區(qū)域的海浪，表現(xiàn)為3維振動(dòng)。設(shè)計(jì)多維波浪振動(dòng)能量收集裝置的目的在于同時(shí)捕獲多個(gè)方向的振動(dòng)能量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有振動(dòng)能量收集裝置存在能量損耗、能量收集效率較低的不足，本發(fā)明提供一種減少了能量消耗、能量收集效率較高的二維擺動(dòng)磁懸浮能量收集裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種二維擺動(dòng)磁懸浮能量收集裝置，包括上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，所述下部結(jié)構(gòu)包括底座、下永磁體、感應(yīng)線圈和下磁軛，所述底座的中部設(shè)有中心孔，所述底座上設(shè)有底座階梯盲孔，所述底座階梯盲孔設(shè)置有2N+2個(gè)，N為正整數(shù)，2N+2個(gè)底座階梯盲孔等圓弧且相互間隔的布置在中心孔外一周上，每個(gè)底座階梯盲孔內(nèi)均安裝有下永磁體，所述下永磁體與底座階梯盲孔的底部之間設(shè)有彈性墊片，所述感應(yīng)線圈套裝在下永磁體上，所述下磁軛位于所述下永磁體的上方并固定在底座上，所述下磁軛為扇形，所述下磁軛的底面上設(shè)有下磁軛階梯盲孔，所述下永磁體的上部和感應(yīng)線圈插入到所述下磁軛階梯盲孔內(nèi)，所述下永磁體頂部平面與所述下磁軛階梯盲孔最深處的平面貼合，所述下磁軛也設(shè)置有2N+2個(gè)，N為正整數(shù)，2N+2個(gè)下磁軛的上表面組成一個(gè)下凹的圓錐面；

所述上部結(jié)構(gòu)包括上磁軛、上永磁體和擺錘，所述上磁軛懸浮在所述下磁軛的上方，所述上磁軛的中部設(shè)有上磁軛盲孔，所述上永磁體安裝在所述上磁軛盲孔內(nèi)，所述上永磁體底部平面與所述上磁軛盲孔最深處的平面貼合，所述上磁軛的下表面為一個(gè)下凸的圓錐面，所述上磁軛的圓錐面與2N+2個(gè)下磁軛組成的圓錐面大小相同并相互匹配，所述擺錘通過(guò)細(xì)柱固定在上永磁體的正上方；所述下永磁體的上端磁極與上永磁體的下端磁極的磁性相同；

所述底座、彈性墊片、細(xì)柱、擺錘均為非磁性材料制成。

進(jìn)一步，所述上磁軛、下磁軛均為軟磁材料制成；所述上永磁體、下永磁體均采用高矯頑力永磁材料制成。

再進(jìn)一步，所述底座階梯盲孔與所述底座的中心孔之間通過(guò)引線槽連通。

再進(jìn)一步，所述底座階梯盲孔設(shè)置有四個(gè)，所述下永磁體設(shè)置有四個(gè)，所述感應(yīng)線圈設(shè)置有四個(gè)，所述彈性墊片設(shè)置有四片，所述下磁軛設(shè)置有四個(gè)，一個(gè)感應(yīng)線圈對(duì)應(yīng)一個(gè)下永磁體，一個(gè)下永磁體對(duì)應(yīng)一個(gè)下底座階梯盲孔，一個(gè)底座階梯盲孔對(duì)應(yīng)一片彈性墊片，一個(gè)下磁軛對(duì)應(yīng)一個(gè)下永磁體，四個(gè)下磁軛的上表面組成一個(gè)下凹的圓錐面。

再進(jìn)一步，所述下磁軛粘接在所述底座上。

更進(jìn)一步，相對(duì)兩個(gè)下永磁體的感應(yīng)線圈的異名端串聯(lián)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：一方面利用非固定連接的磁懸浮結(jié)構(gòu)獲得兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)能量的捕獲；另一方面，利用磁懸浮方式消除了摩擦、減少了能量損耗；另外，通過(guò)將相對(duì)的兩個(gè)感應(yīng)線圈異名端串聯(lián)，提高能量收集效率。

附圖說(shuō)明

圖1是二維擺動(dòng)磁懸浮能量收集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中未顯示其中一個(gè)下磁軛。

圖2是底座在一個(gè)方向的立體圖。

圖3是底座在另一個(gè)方向的立體圖。

圖4是下磁軛在一個(gè)方向的立體圖。

圖5是下磁軛在另一個(gè)方向的立體圖。

圖6是上磁軛和擺錘的示意圖。

圖7是下彈性墊片的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖7，一種二維擺動(dòng)磁懸浮能量收集裝置，包括上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，所述下部結(jié)構(gòu)包括底座1、下永磁體3、感應(yīng)線圈2和下磁軛4，所述底座1的中部設(shè)有中心孔，所述底座1上設(shè)有底座階梯盲孔，所述底座階梯盲孔設(shè)置有2N+2個(gè)，N為正整數(shù)，2N+2個(gè)底座階梯盲孔等圓弧且相互間隔的布置在中心孔外一周上，每個(gè)底座階梯盲孔內(nèi)均安裝有下永磁體，所述下永磁體3與底座階梯盲孔的底部之間設(shè)有彈性墊片8，所述感應(yīng)線圈2套裝在下永磁體3上，所述下磁軛4位于所述下永磁體3的上方并固定在底座1上，所述下磁軛4為扇形，所述下磁軛4的底面上設(shè)有下磁軛階梯盲孔，所述下永磁體3的上部和感應(yīng)線圈2插入到所述下磁軛階梯盲孔內(nèi)，所述下永磁體3頂部平面與所述下磁軛4階梯盲孔最深處的平面貼合，所述下磁軛4也設(shè)置有2N+2個(gè)，N為正整數(shù)，2N+2個(gè)下磁軛的上表面組成一個(gè)下凹的圓錐面；

所述上部結(jié)構(gòu)包括上磁軛5、上永磁體6和擺錘7，所述上磁軛5懸浮在所述下磁軛4的上方，所述上磁軛5的中部設(shè)有上磁軛盲孔，所述上永磁體6安裝在所述上磁軛盲孔內(nèi)，所述上永磁體6底部平面與所述上磁軛5盲孔最深處的平面貼合，所述上磁軛5的下表面為一個(gè)下凸的圓錐面，所述上磁軛5的圓錐面與2N+2個(gè)下磁軛組成的圓錐面大小相同并相互匹配，所述擺錘7通過(guò)細(xì)柱固定在上永磁體6的正上方；所述下永磁體4的上端磁極與上永磁體6的下端磁極的磁性相同；

所述底座1、彈性墊片8、細(xì)柱、擺錘7均為非磁性材料制成。

進(jìn)一步，所述上磁軛5、下磁軛4均為軟磁材料制成；所述上永磁體6、下永磁體3均采用高矯頑力永磁材料制成。

再進(jìn)一步，所述底座階梯盲孔與所述底座1的中心孔之間通過(guò)引線槽連通。

再進(jìn)一步，所述底座階梯盲孔設(shè)置有四個(gè)，所述下永磁體3設(shè)置有四個(gè)，所述感應(yīng)線圈2設(shè)置有四個(gè)，所述彈性墊片8設(shè)置有四片，所述下磁軛4設(shè)置有四個(gè)，一個(gè)感應(yīng)線圈對(duì)應(yīng)一個(gè)下永磁體，一個(gè)下永磁體對(duì)應(yīng)一個(gè)下底座階梯盲孔，一個(gè)底座階梯盲孔對(duì)應(yīng)一片彈性墊片，一個(gè)下磁軛對(duì)應(yīng)一個(gè)下永磁體，四個(gè)下磁軛的上表面組成一個(gè)下凹的圓錐面。

再進(jìn)一步，所述下磁軛4粘接在所述底座1上。

更進(jìn)一步，相對(duì)兩個(gè)下永磁體的感應(yīng)線圈的異名端串聯(lián)。

如圖1、圖2和圖6所示，所述彈性墊片8共四片，分別置于底座1上四個(gè)底座階梯盲孔的底部；所述下永磁體3共有相同的四個(gè)，分別置于底座1上四個(gè)底座階梯盲孔之內(nèi)以及彈性墊片8之上，四個(gè)下永磁體3均有N極和S極，四個(gè)下永磁體3的N極均朝上或者朝下；感應(yīng)線圈2有相同的四個(gè)，感應(yīng)線圈2位于底座1上四個(gè)底座階梯盲孔的階梯位置上，感應(yīng)線圈2的進(jìn)線和出線可沿底座階梯盲孔側(cè)面的引線槽自底座的中心孔引出；所述四個(gè)下永磁體3和四個(gè)感應(yīng)線圈2之上分別安置四個(gè)下磁軛4，同時(shí)下磁軛4也置于底座1之上，通過(guò)粘接等方式實(shí)現(xiàn)連接；由于彈性墊片8具有彈性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)下永磁體3的下部與所述底座階梯盲孔內(nèi)的彈性墊片8的貼合，下永磁體3的上部與所述下磁軛階梯盲孔的底部貼合；在其安裝位置上，四個(gè)下磁軛4的上表面位于同一圓錐面上；上磁軛5的下表面也呈一圓錐面，與所述四個(gè)下磁軛4的上表面組成的圓錐面有相同形狀和尺寸；所述上永磁體6有N極和S極，如果所述下永磁體3的N極在上則所述上永磁體6的N極在下；如果所述下永磁體3的S極在上則所述上永磁體6的S極在下；擺錘7為密度較大的非磁性材料制成，擺錘7作用在于提高裝置上部的重心，增強(qiáng)擺動(dòng)效果，便于能量收集。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理為：本發(fā)明靜止時(shí)，處于其平衡位置，上磁軛5與下磁軛4由于各自所連接的上永磁體6和下永磁體3的作用，形成斥力，該斥力平衡了裝置上部的上磁軛5、上永磁體6和擺錘7的重力，并且上磁軛5與四個(gè)下磁軛4的間隔相等。在外界振動(dòng)、擾動(dòng)作用下，裝置的上部結(jié)構(gòu)與裝置的下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生變化，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)，由于上磁軛5與下磁軛4較接近，此相對(duì)運(yùn)動(dòng)以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，形成與上磁軛5的圓錐面軸線垂直的兩個(gè)方向上的擺動(dòng)。在擺動(dòng)作用下，使得上磁軛5與四個(gè)下磁軛4之間的間隔變化，間隔增大處，斥力下降；間隔減小處，斥力上升，形成與其偏移平衡位置相反的力矩，使其運(yùn)動(dòng)減速，進(jìn)而使其發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成擺動(dòng)。由于高矯頑力永磁體間相互接近時(shí)的斥力往往可達(dá)其重量的百倍以上，故所述裝置的上部結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的在平衡位置附近擺動(dòng)振蕩的傾向，不會(huì)輕易傾倒。為擺動(dòng)時(shí)感應(yīng)線圈2磁通的變化，考慮下面四種情形：

1)上磁軛5居于各下磁軛4之中，也就是處于平衡位置。上磁軛5與各下磁軛4之間的氣隙寬度均相等時(shí)。各下磁軛4上的磁感應(yīng)強(qiáng)度相等，各感應(yīng)線圈2磁通相等，各下磁軛4對(duì)上磁軛5的斥力相等。

2)擺動(dòng)使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位于某個(gè)下磁軛4中間位置。相較平衡位置，安裝于該下磁軛4中的感應(yīng)線圈2的磁通下降；安裝于該磁軛相對(duì)位置的下磁軛4中的感應(yīng)線圈2磁通上升；另兩個(gè)下磁軛4中的感應(yīng)線圈2上的磁通由于其退磁曲線的非線性可能上升也可能下降，但變化幅度遠(yuǎn)小于前兩下磁軛4的變化幅度。

3)擺動(dòng)使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位于某兩個(gè)下磁軛4間隙的中間位置。相較平衡位置，安裝于該兩下磁軛4中的感應(yīng)線圈2的磁通下降；安裝于另兩下磁軛4中的感應(yīng)線圈2磁通上升。

4)擺動(dòng)使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位于某個(gè)下磁軛4中間到包含該下磁軛4的某兩個(gè)下磁軛4間隙中間之間的位置，這種情形為情形2)和3)的中間情形。相較平衡位置，該兩下磁軛4中，安裝于前者的線圈2的磁通下降，安裝與后者的感應(yīng)線圈2的磁通根據(jù)其退磁曲線可能下降也可能上升，如果上升其變化幅度應(yīng)很小，并說(shuō)明此時(shí)接近與情形2)。與上述兩下磁軛4中前者相對(duì)的下磁軛4，安裝其中的感應(yīng)線圈2磁通上升；與上述兩下磁軛4中后者相對(duì)的下磁軛4，安裝其中的感應(yīng)線圈2磁通根據(jù)其退磁曲線可能下降也可能上升，如果下降其變化幅度應(yīng)很小，并說(shuō)明此時(shí)接近與情形2)。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)兩種感應(yīng)線圈2間連接的方案：

1)由于在擺動(dòng)過(guò)程中各感應(yīng)線圈2磁通均有變化，可將各感應(yīng)線圈2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)獨(dú)立整流以后在疊加，這樣獲得的電壓有較大的整流損耗。

2)綜合以上四種情形下各感應(yīng)線圈2磁通的分析，如果兩相對(duì)感應(yīng)線圈2上的磁通變化較另外兩感應(yīng)線圈2明顯顯著，則此兩相對(duì)線圈2上產(chǎn)生相反電動(dòng)勢(shì)；而另外兩線圈2的電動(dòng)勢(shì)雖然由于退磁曲線的非線性可能不是相反的，但產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)絕對(duì)值遠(yuǎn)小于前兩感應(yīng)線圈2的電動(dòng)勢(shì)絕對(duì)值。于是，將相對(duì)兩個(gè)磁軛上的感應(yīng)線圈2異名端串聯(lián)，得到的兩個(gè)串聯(lián)后的電動(dòng)勢(shì)，分別進(jìn)行整流后疊加，相對(duì)前一種方案可減少整流造成的電壓損耗，有利于提高能量收集效率。

本發(fā)明一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)零件制造比較方便；二是設(shè)計(jì)比較合理，安裝比較方便，三是實(shí)現(xiàn)二維擺動(dòng)能量收集；四是通過(guò)消除摩擦和合理連接感應(yīng)線圈2提高能量收集效率。