本實用新型屬于振動能量回收裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種將振動能量轉(zhuǎn)換為電能的多頻率振動能量回收裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)今世界各國面臨的兩大難題，為了解決能源危機(jī)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活的影響，各國科技工作者開始探索新的綠色能源。能量回收是指獲取外界能量并將其轉(zhuǎn)換為可利用電能的過程。

在過去幾年中，便攜式設(shè)備、無線傳感器及微機(jī)電系統(tǒng)MEMS快速發(fā)展，這些設(shè)備或傳感器系統(tǒng)是便攜式的或分布式的，因此需要自帶電源。大部分情況下，這些電源就是常規(guī)的電池，但是電池電能和使用壽命都是有限的。對這些設(shè)備來說，更換電池會產(chǎn)生很多不方便；另外，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當(dāng)會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。這就迫切需要這些系統(tǒng)自身能產(chǎn)生電能供自己使用。雖然環(huán)境中采集的能量通常比較小，但是隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成化在不斷的提高同時功耗在不斷的降低，因此環(huán)境中回收的能量對于微功耗系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠。

獲取外界能量主要有以下幾種能量采集來源：太陽能，振動能，噪聲，溫度梯度。其中振動作為人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ姮F(xiàn)象，由于其具有較高的能量密度1年使用期的功能密度為100-200μW/cm3，因此從周圍環(huán)境的振動中回收能量無疑是一種最方便、最具有潛力的方式。

目前振動能量回收技術(shù)研究主要有三種方式：靜電式electrostatic、電磁式electromagnetic和壓電式piezoelectric，其中電磁式能量回收裝置工作時遵循的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過閉合回路一般為線圈所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由此將環(huán)境振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋８鶕?jù)振動部件的不同，可以把電磁式振動能量回收裝置分為動鐵磁鐵振動、動圈線圈振動、和鐵圈同振磁鐵線圈共同振動三種類型。

浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)的電磁式振動發(fā)電裝置201210499462.3，包括外殼、振子、感應(yīng)線圈、磁軛和支架，該發(fā)明的主要優(yōu)點是利用了多齒結(jié)構(gòu)使線圈磁通變化頻率遠(yuǎn)高于振子的振動頻率，提高了發(fā)電效率。

江蘇大學(xué)研發(fā)出一種發(fā)電功率可調(diào)的電磁式振動能量收集器201410016971.5，包括能量轉(zhuǎn)換裝置、導(dǎo)軌、質(zhì)量塊和磁鐵。通過旋動可調(diào)平臺的旋鈕調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換裝置與被動磁鐵間的距離，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動磁鐵和被動磁鐵間作用力的大小，使被動磁鐵的振動幅度發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電功率的目的。該裝置的優(yōu)點是使發(fā)電功率可調(diào)，解決了大部分振動能量收集器發(fā)電功率單一的問題。

河北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的一種電磁式振動發(fā)電機(jī)201310444325.4，核心部件為磁軛，振動軸，軸轂。實驗表明該發(fā)電機(jī)在頻率為10Hz，振幅為10mm時，輸出電壓峰值為6V。

基于以上分析，現(xiàn)有的振動能量采集裝置，其拾振機(jī)構(gòu)只收集固有頻率附近的振動，遠(yuǎn)離固有頻率的振動獲取能力弱。而環(huán)境振動通常是由一系列不同頻率的振動信號組成。本實用新型針對現(xiàn)有的振動能量回收結(jié)構(gòu)只對單一頻率敏感等缺陷，提供一種能在不同頻率下均使系統(tǒng)具有優(yōu)異效果的能量回收結(jié)構(gòu)，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種多頻率振動能量回收裝置，此種裝置能保證在環(huán)境的幾種典型振動頻率中高效率的收集振動能量，解決了現(xiàn)有振動能量回收結(jié)構(gòu)只對單一頻率敏感等缺陷。

本實用新型技術(shù)方案結(jié)合附圖說明如下：一種多頻率振動能量回收裝置，該回收裝置包括磁電轉(zhuǎn)換部分和能量收集部分；其中所述的磁電轉(zhuǎn)換部分包括外殼1、拉伸彈簧2、質(zhì)量塊3、電感線圈4；所述的能量收集部分包括電能存儲電路5；所述的外殼1為一矩形中空的殼體，內(nèi)部均勻設(shè)置有多個空腔；其中每個空腔內(nèi)設(shè)置有一個拉伸彈簧2；所述的拉伸彈簧2設(shè)置于外殼1的內(nèi)部，其中一端固定在外殼1內(nèi)側(cè)的上部，另一端與質(zhì)量塊3相連；所述的電感線圈4設(shè)置在外殼1的空腔內(nèi)，質(zhì)量塊3的外面；所述的質(zhì)量塊3內(nèi)部有永磁體6，質(zhì)量塊3和永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動。

所述的電感線圈4包括電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8；其中所述的電感線圈骨架9固定在空腔的內(nèi)部，中間有通孔；所述的電感線圈磁芯7設(shè)置在電感線圈骨架9的內(nèi)部并且與通孔過盈配合；所述的漆包線8繞在電感線圈骨架9上。

本實用新型的有益效果為：

1.本實用新型所述的一種多頻率振動能量回收裝置采用改變系統(tǒng)拉伸彈簧參數(shù)、改變質(zhì)量塊質(zhì)量的方式去控制系統(tǒng)固有頻率，從而使裝置在環(huán)境的不同典型振動頻率下達(dá)到共振，以此來解決已有裝置工作頻率單一的問題；

2.本實用新型所述的一種多頻率振動能量回收裝置可以簡化為單自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼振動模型，裝置結(jié)構(gòu)簡單，且分析方法簡便，使用時不易出現(xiàn)復(fù)雜故障；

3.本實用新型所述的一種多頻率振動能量回收裝置主要包括磁電轉(zhuǎn)換和電能收集兩部分，將磁電轉(zhuǎn)換部分收集的振動能量儲存到蓄電池中，以此解決發(fā)電量較小時傳統(tǒng)振動能量收集裝置不能使微機(jī)電系統(tǒng)工作的問題。

附圖說明

圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的主視圖；

圖3為本實用新型的原理圖；

圖4為本實用新型中的質(zhì)量塊的剖視圖；

圖5為本實用新型中的電感線圈結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型中的儲能電路原理圖。

圖中：1、外殼；2、拉伸彈簧；3、質(zhì)量塊；4、電感線圈；5、電能存儲電路；6、永磁體；7、電感線圈磁芯；8、漆包線；9、電感線圈骨架。

具體實施方式

參閱圖1—圖2，一種多頻率振動能量回收裝置，該回收裝置包括磁電轉(zhuǎn)換部分和能量收集部分；其中所述的磁電轉(zhuǎn)換部分包括外殼1、拉伸彈簧2、質(zhì)量塊3、電感線圈4；所述的能量收集部分包括電能存儲電路5；所述的外殼1內(nèi)部均勻設(shè)置有多個空腔；其中每個空腔內(nèi)設(shè)置有一個拉伸彈簧2；所述的拉伸彈簧2設(shè)置于外殼1的內(nèi)部，其中一端固定在外殼1內(nèi)側(cè)的上部，另一端與質(zhì)量塊3相連；所述的電感線圈4設(shè)置在質(zhì)量塊3的外面；所述的質(zhì)量塊3內(nèi)部有永磁體6，質(zhì)量塊3和永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動。

所述的電感線圈4包括電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8；其中所述的電感線圈骨架9固定在空腔的內(nèi)部，中間有通孔；所述的電感線圈磁芯7設(shè)置在電感線圈骨架9的內(nèi)部并且與通孔過盈配合；所述的漆包線8繞在電感線圈骨架9上。

所述的外殼1為中空的立體結(jié)構(gòu)，外殼1的尺寸要根據(jù)電感線圈4中電感線圈骨架9、電感線圈磁芯7和漆包線8的匝數(shù)確定，在本實施例中，最終設(shè)計整體尺寸為248mm×60mm×60mm。所述的質(zhì)量塊3位于外殼1的每個空腔中，并通過拉伸彈簧2與外殼1相連。拉伸彈簧2及質(zhì)量塊3的數(shù)目與外殼空腔的數(shù)目相等。外殼空腔數(shù)目要根據(jù)本裝置放置環(huán)境的典型振動頻率數(shù)目確定，在本實例中，設(shè)計為具有四個空腔的中空立體結(jié)構(gòu)。

本實用新型所述的一種多頻率振動能量回收裝置可以簡化為單自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)振動模型，即由外界基礎(chǔ)運(yùn)動引起的強(qiáng)迫振動，通過電磁感應(yīng)將質(zhì)量塊3的動能轉(zhuǎn)變成電能。當(dāng)質(zhì)量塊3在外界激勵下振動時，相當(dāng)于置于質(zhì)量塊3內(nèi)部的永磁體6隨著環(huán)境的振動以一定的頻率發(fā)生往復(fù)運(yùn)動，即與電感線圈4發(fā)生相對運(yùn)動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過閉合回路(一般為線圈)所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢可以表示為：

其中U_e代表感應(yīng)電動勢，單位為V；N_e表示組成閉合回路的線圈匝數(shù)；是穿過每匝線圈的磁通量，單位為Wb；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；是線圈的面積矢量；t是時間，單位為s。

參閱圖3，磁鐵在外部振動時的響應(yīng)可以由彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)來表示，永磁體6置于質(zhì)量塊3內(nèi)，設(shè)質(zhì)量塊為m，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，k為彈簧的剛度系數(shù)，L為線圈電感，線圈內(nèi)阻為Rc，線圈長度為l，負(fù)載電阻為R_L。殼體1隨外界環(huán)境的振動位移y(t)和振動頻率的大小將會引起質(zhì)量塊3的振動位移x(t)，從而影響系統(tǒng)的輸出電壓和功率。設(shè)彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)的振動位移為f(t)。由牛頓定律可知系統(tǒng)在任意激勵下的受迫振動微分方程為：

式中，x(t)＝A cos(ωt+θ)為質(zhì)量塊3(即永磁體6)的振動位移函數(shù)，c為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

在初始條件為零時，對其進(jìn)行拉普拉斯變換，得到其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)電壓原理可得：

式中I(t)為感應(yīng)電流隨時間的變化函數(shù)。

由(5)可得到振動裝置的感應(yīng)電壓為：

因此，從永磁體5的相對運(yùn)動到輸出電壓的傳遞函數(shù)可以表示為：

電磁線圈4中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的反饋為：

結(jié)合(3)、(4)、(6)、(7)式，可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

經(jīng)過拉氏變換后，可以得到振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

式中，當(dāng)0≤ζ≤1時為振蕩環(huán)節(jié)。

阻尼系數(shù)ζ可以分解為機(jī)械阻尼系數(shù)ζ_m和電氣阻尼系數(shù)ζ_s，其中：

因此，系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

即輸出電壓可以看作為是一個正弦輸入信號的函數(shù)。因為輸出功率為：

得到平均功率為：

可得出，在共振頻率處，ω＝ω_n，輸出的平均功率和輸出電壓值達(dá)到最大:

系統(tǒng)的運(yùn)動方程可以用這個數(shù)學(xué)模型來描述，對所給的外部振動模態(tài)進(jìn)行分析，即可最優(yōu)設(shè)計系統(tǒng)的最大輸出功率。

由以上分析可知，本裝置的設(shè)計應(yīng)保證裝置的固有頻率接近環(huán)境的典型振動頻率，使裝置與環(huán)境達(dá)到共振，使能量回收效率最高。在本實用新型所述的能量回收裝置中，則需要保證每個彈簧-質(zhì)量塊單元的固有頻率接近環(huán)境的一種典型振動頻率，以此保證在外界環(huán)境的每種典型振動情況下，都有至少一個單元與環(huán)境發(fā)生共振。環(huán)境的典型頻率可以簡單由實驗測得。彈簧的固有頻率可由以下公式計算：

其中，f為彈簧的固有頻率，單位為Hz；k為彈簧的剛度系數(shù)，單位為N/m；m為系統(tǒng)質(zhì)量，單位為kg。

而拉伸彈簧的剛度系數(shù)k則可由以下公式得出：

其中，G為線材的剛性模數(shù)，常見的線材有碳鋼絲G＝79300，不銹鋼絲G＝697300，磷青銅線G＝4500，黃銅線G＝350；d為線徑，D_m為彈簧中徑，N_C為彈簧有效圈數(shù)。

由以上兩式即可根據(jù)外界環(huán)境的振動頻率，選擇合適的彈簧或合理設(shè)計符合裝置放置環(huán)境要求的彈簧。

參閱圖3，質(zhì)量塊3為軟磁材料制成的立方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部放置圓柱體或長方體形狀的永磁體6。軟磁材料是指磁化發(fā)生在矯頑力不大于1000A/m的磁化材料，其主要性能參數(shù)包括磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力。磁導(dǎo)率決定了材料傳遞磁力線的能力，是比較重要的參數(shù)之一。本裝置中質(zhì)量塊3除了受外界激勵產(chǎn)生振動，還起著傳導(dǎo)磁力線的作用，因此選用低矯頑力、高磁導(dǎo)率特點的材料，而軟磁材料則具備以上兩個特點，如純鐵(密度為7.86g/cm3)。

本實用新型裝置中的磁場由永磁體6產(chǎn)生，永磁體特性的主要參數(shù)有磁能積、矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度三項。其中，磁能積代表了永磁體在氣隙空間所建立的磁能量密度，即氣隙單位體積的靜磁能量。磁能積越大，則儲存在單位體積內(nèi)的磁能也越大，材料性能越好；矯頑力是指使磁化至技術(shù)飽和的永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要加的反向磁場強(qiáng)度，矯頑力越大，永磁性就越好；剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度是指永磁體經(jīng)磁化至技術(shù)飽和并去掉外磁場后，所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度。參數(shù)數(shù)值越大表明永磁材料的性能越好。永磁體包括磁鋼、鐵氧體和稀土永磁體。其中，磁鋼的優(yōu)點是不受溫度影響，可用于高溫環(huán)境，同時它的耐腐蝕性比較好，因此具有較長的使用壽命，其最大磁能積僅次于稀土永磁體。而鐵氧體的性能相比其他兩種永磁體而言是比較差的，但是由于其成本低廉，也被廣泛應(yīng)用。相比其他兩種永磁材料，稀土永磁材料是具有高磁能積、高矯頑力、高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度磁性材料，其中的釹鐵硼系列永磁體最大磁能積可達(dá)398KJ/m3，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.47T，是目前磁性最高的永磁材料。在相同體積下，稀土永磁體的磁場強(qiáng)度最大，因此常常成為振動能量裝置的首選，同時由于它的矯頑力比較高，不會因為裝置的振動而退磁，因此，本裝置選用稀土永磁體作為永磁體6的材料，確定以NdFe35作為永磁材料，材料密度為7.5g/cm3。本裝置中設(shè)計質(zhì)量塊尺寸為邊長10mm的立方體，永磁體材料為半徑4mm、長10mm的圓柱體，如圖3所示置于質(zhì)量塊內(nèi)部。

參閱圖3，質(zhì)量塊3及其內(nèi)部的永磁體6在電感線圈4內(nèi)部振動，因此電感線圈4選用空心線圈結(jié)構(gòu)。

參閱圖5電感線圈結(jié)構(gòu)，磁芯7和骨架9均選用空心結(jié)構(gòu)，磁芯7的外徑應(yīng)與骨架9空心處直徑相符，以便將磁芯7置于骨架9內(nèi)。漆包線8作為繞組繞在骨架9上。

首先根據(jù)工作頻率，選用線圈的導(dǎo)線：工作于低頻段的電感線圈，一般采用漆包線等帶絕緣的導(dǎo)線繞制。工作頻率高于幾萬赫茲而低于2MHz的電路中，采用多股絕緣的導(dǎo)線繞制線圈，這樣可有效地增加導(dǎo)體的表面積，從而可以克服集膚效應(yīng)的影響。在頻率高于2MHz的電路中，電感線圈應(yīng)采用單根粗導(dǎo)線繞制，導(dǎo)線的直徑一般為0.3mm－1.5mm。因此本實用新型裝置選用漆包線作為線圈導(dǎo)線材料。在各種導(dǎo)體中，銅的導(dǎo)電性僅次于銀，軟銅電阻率在各種銅材中最低，在20℃時的直流電阻率為0.017241Ω·mm2/m，其介電常數(shù)ε＝ε₀＝8.85×10^-12F/m，電導(dǎo)率γ＝5.80×10⁷S/m，漆包線的線徑越大，長度越短，其直流電阻越小。

選用優(yōu)質(zhì)的骨架，可以減小介質(zhì)損耗，如選用高頻瓷材料作為骨架。在線圈的內(nèi)部放入磁芯，可以減少線圈的圈數(shù)，即減小其電阻值，還可以提高它的電感量，而且縮小了線圈的體積。磁芯材料可選用高導(dǎo)磁環(huán)形磁芯MnZn，其初始磁導(dǎo)率越高，工作頻率就越高。結(jié)構(gòu)中膠帶的作用則是作為每層繞組之間的絕緣，并固定磁芯和導(dǎo)線。骨架尺寸則應(yīng)保證拉伸彈簧2可帶動質(zhì)量塊3在磁芯內(nèi)的運(yùn)動不受阻礙。如本裝置中確定質(zhì)量塊3的尺寸后，即可選用兩邊墻板圓直徑50mm，空心直徑20mm，高度25mm的骨架。由此尺寸則可進(jìn)一步確定出外殼1尺寸。外殼1的空腔中放置電感線圈4，即空腔寬度部分應(yīng)稍大于線圈骨架墻板圓直徑50mm，空腔長度部分應(yīng)大于線圈骨架高度且留出可調(diào)整電感線圈4位置的空隙，如每個空腔寬度為52mm，長度為50mm，外殼厚度為5mm，則外殼1的整體尺寸為248mm×60mm×60mm。

電感線圈4需要有兩個繞組，初級繞組和次級繞組。初級線圈輸出的電能通過后序電路中的電感進(jìn)行存儲，次級線圈輸出的電能為電路芯片提供能量。線圈匝數(shù)的設(shè)計，需要考慮后電路中芯片所需電壓的大小。線圈電感量的大小則主要取決于線圈匝數(shù)、幾何形狀，以及線圈結(jié)構(gòu)尺寸，如繞組長度、直徑、厚度等。

由(14)、(15)、(16)三式可知，線圈的內(nèi)阻直接影響到輸出電壓和功率的大小，所以在設(shè)計時應(yīng)盡量減小內(nèi)阻。按照電阻計算公式：

R＝ρl/S (19)

其中ρ為材料的電阻系數(shù)，單位為Ω·m；l_R為電阻長度，單位為m；S為電阻橫截面積，單位為m²。

繞組線圈的長度和橫截面積為：

則繞組線圈的電阻為：

其中，d₀為螺旋線圈的外徑，單位為m；d₁為螺旋線圈的內(nèi)徑，單位為m；W₀為線圈橫截面積的長度，單位為m；w₁為線圈橫截面積的厚度，單位為m；μ為占空比。

線圈匝數(shù)：

螺旋線圈的電感工程近似計算為：

其中，改變線圈的外徑d₀及線圈匝數(shù)N，可以計算出線圈外徑以及線圈匝數(shù)與電感量的關(guān)系。

磁電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電能相對較小，不能直接為大部分電路提供驅(qū)動能量，因此需要進(jìn)行電量的存儲。收集電磁式振動產(chǎn)生電量的方法主要有通過電容/電感收集產(chǎn)生的振動能量和利用可重復(fù)充電的電池兩種。本裝置中整個結(jié)構(gòu)不借助外部能源供電，只依靠磁電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電量來驅(qū)動電路正常工作。

參閱圖6，其中儲能電路中的開關(guān)S用于輸入端電源開關(guān)，Ls為超導(dǎo)儲能線圈，二極管D起續(xù)流作用，S2為電感放電控制開關(guān)，S3在充電和放電時接通，電感Lf和電容Cf為濾波電感，Rl為系統(tǒng)負(fù)載。開關(guān)S1有兩個作用：充電和儲能時用于構(gòu)成電流通路及放電時用于分流，以實現(xiàn)恒流或恒壓控制。在工作時，電路有三種運(yùn)行狀態(tài)：充電狀態(tài)；儲能狀態(tài)；放電狀態(tài)。充電時，開關(guān)S接通電源，S1閉合，S2斷開，S3斷開。儲能時，S斷開與電源的聯(lián)系，S1仍然接通，S2斷開，S3閉合。

上述實例中，本實用新型裝置的質(zhì)量塊尺寸、電感線圈骨架尺寸在實際應(yīng)用中均為可變參數(shù)。由以上說明可知本實例中裝置整體尺寸僅為248mm×60mm×60mm，滿足結(jié)構(gòu)的微型化要求。由于尺寸限制，本裝置僅適用于回收環(huán)境中10-200Hz的低頻振動。它可以應(yīng)用于各種大型機(jī)械機(jī)座或者振動元件、汽車發(fā)動機(jī)、攪拌機(jī)、洗衣機(jī)以及各種微結(jié)構(gòu)中的低頻振動能量回收，為微機(jī)電系統(tǒng)或無線傳感器提供電能。