基于非对称-双平面弹簧的宽范围振动能量收集器的制作方法

基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器
技术领域
1.本发明涉及微能量收集领域，具体是一种基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器。


背景技术：

2.随着物联网的快速发展，越来越多的无线传感器网络和低功耗电子设备得到广泛应用。目前，给这些电子设备供电以传统的化学电池为主，而定期地维护设备，更换电池会耗费大量的人力和物力，除此之外，化学电池还会污染环境。低功耗电子设备工作地环境中存在着可被利用的能量，如太阳能、风能、热能、振动能等。振动能有着不受环境限制、分布广泛的优点，若能将这些振动能量收集起来，实现电子设备的自供电，进而取代化学电池，将从根本上解决化学电池带来的问题。
3.目前常见的能量收集器仅工作在单一谐振点，而环境中的振动大都不是单一频率的振动，其频率成分分布在一个较宽的频带内，为了充分采集环境中的振动能量，要求振动能量收集器具有宽频振动采集性能。
4.申请公布号为cn111130296 a的发明专利公开了一种电磁式振动能量收集器。该收集器通过连接在永磁体上下表面的两个对称结构的平面弹簧带动永磁体振动，平面弹簧的结构为四条蛇形悬臂梁和矩形弹性平台，每段悬臂梁分别连接弹性平台和硅衬底的边框。该收集器通过永磁体和铁芯之间的非线性吸引力使振子的振动具有典型的非线性效应从而拓宽系统的输出宽带，提高输出功率。但是该收集器结构较复杂，装配工艺要求高。
5.申请公布号为cn111245295 a的发明专利公开了一种电磁式振动能量收集器。该收集器有上下两个底板，上底板四周连接有四个结构相同的平面弹簧，中间放置蛇形线圈，下底板中心放置阵列磁铁。在外界激励条件下，平面弹簧带动蛇形线圈在水平方向产生运动，使线圈切割磁铁阵列产生的磁感线，从而在蛇形线圈两端产生感应电动势。该收集器的弹簧为四个相同的对称弹簧，导致运动模式单一，收集频带窄。


技术实现要素：

6.本发明针对单谐振点振动能量收集器收集范围的不足，提出了一种基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，其采取非对称结构使收集器具有不同的振动模态来实现宽带宽，结构简单，装配难度低；且其采取非对称结构，运动模态多样，收集频带宽，该能量收集器能够收集两个谐振点下的振动能量。
7.一种基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，包括外壳、置于外壳内部的连接件、永磁铁、安装于连接件的第一平面弹簧、第二平面弹簧，第一平面弹簧、第二平面弹簧通过连接件固定于永磁铁，外壳上对应永磁铁位置绕设有线圈，所述第一平面弹簧、第二平面弹簧为非对称
‑
双平面弹簧结构，具有不同弹性系数，外界振动作用到收集器时，第一平面弹簧、第二平面弹簧振动带动永磁铁上下运动，与固定在外壳上的线圈产生相对位移。
8.进一步的，外壳的顶部对应第一平面弹簧、第二平面弹簧开设有两个凹槽，第一平面弹簧、第二平面弹簧分别放置在外壳顶部的两个凹槽内。
9.进一步的，由第一平面弹簧和第二平面弹簧组成的平面弹簧组合可分别加工，也可一体化加工。
10.进一步的，外壳对应永磁铁位置的侧壁环绕设有绕线槽，线圈绕制在外壳的绕线槽内。
11.进一步的，所述第一平面弹簧、第二平面弹簧为具有相同横梁个数，不同横梁厚度的弹簧组合。
12.进一步的，所述第一平面弹簧、第二平面弹簧为具有相同横梁厚度，不同横梁个数的弹簧组合。
13.进一步的，所述第一平面弹簧、第二平面弹簧为非对称的两梁和三梁的蛇形弯曲梁结构。
14.进一步的，所述永磁铁采用钕铁硼材料。
15.进一步的，所述收集器形成三种不同的振动模态：当外界振动频率等于第一弹簧固有频率时，第一弹簧共振，通过连接件和磁铁带动第二弹簧产生较小位移的振动；当外界振动频率等于第二弹簧固有频率时，第二弹簧共振，通过连接件和磁铁带动第一弹簧产生较小位移的振动；当外界振动频率与第一弹簧和第一弹簧固有频率均不相等时，第一弹簧和第二弹簧均处于较小位移振动状态。
16.进一步的，第一弹簧和第二弹簧采用3d打印或者机械成型加工技术制造，采用铜、钛合金或尼龙材料制成，线圈采用绕线式线圈或者基于pcb基板的平面线圈，外壳采用3d打印加工技术制造。
17.本发明通过两个弹性系数不同的弹簧产生两个不同的谐振频率，从而收集两个频率范围的振动能量，本发明利用双弹簧来提高收集器的带宽，具有结构简单、易批量化生产、制作成本低、功率输出高等优点。
附图说明
18.图1是本发明基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器其中部分组件的结构示意图；
19.图2是本发明基于非对称
‑
双平面弹簧的宽范围振动能量收集器的立体结构图；
20.图3是本发明中的平面弹簧的结构示意图；
21.图4是本发明中的平面弹簧采用一体化加工的结构示意图；
22.图5是本发明中收集器拾振部分的原理示意图；
23.图6为本发明收集器的三种振动模态示意图；
24.图7为磁链与磁铁与线圈相对位置的关系图；
25.图8为本发明样机在共振频率67hz下的测试结果图；
26.图9为本发明样机在共振频率115hz下的测试结果图；
27.图10为本发明样机的频率
‑
电压图。
28.图中附图标记分述如下：
[0029]1‑
1—第一平面弹簧、1
‑
2—第二平面弹簧、2—连接件、3—永磁铁、4—螺钉、5—外
壳、16—线圈。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
请参考图1和图2，本发明实施例提供一种基于双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，通过两个不同弹性系数的平面弹簧共同连接一个永磁体来收集两个谐振点处的振动能量。本发明所述基于双平面弹簧的宽范围振动能量收集器包括：第一平面弹簧1
‑
1、第二平面弹簧1
‑
2、连接件2、永磁铁3、螺钉4、外壳5、线圈6。
[0032]
第一平面弹簧1
‑
1、第二平面弹簧1
‑
2固定于连接件2，具体的，第一平面弹簧1
‑
1、第二平面弹簧1
‑
2和连接件2通过螺钉4连接成一个整体，连接件2通过粘合等其他方式固定于永磁铁3。
[0033]
连接件2和永磁铁3置于外壳5内部，外壳5的顶部对应第一平面弹簧1
‑
1、第二平面弹簧1
‑
2开设有两个凹槽，第一平面弹簧1
‑
1、第二平面弹簧1
‑
2分别放置在外壳5顶部的两个凹槽内。外壳5对应永磁铁3位置的侧壁环绕设有绕线槽，线圈6绕制在外壳5的绕线槽内。
[0034]
平面弹簧作为将振动能量转化为振子的动能的部件，在收集器中起着关键作用，单一的弹簧仅在单个谐振点下工作，而本发明采用非对称
‑
双平面弹簧结构可以收集两个谐振点下的振动能量。本装置的平面弹簧为非对称的两梁(如图3中(a)所示)和三梁(如图3中(b)所示)的蛇形弯曲梁结构，通过两种不同的非对称组合方式来实现双谐振点的能量收集。本发明实施例提出两种构建非对称弹簧的方法：一种是相同横梁个数，不同横梁厚度的弹簧组合；另一种是相同横梁厚度，不同横梁个数的弹簧组合。弹簧的结构如图3所示。这种弯曲梁结构能够拾起最大限度的利用弹簧的空间，比起笔直结构的横梁，弯曲梁有利于提高弹簧的稳定性。如图4所示，组合平面弹簧可由分别加工的两个不同平面弹簧组成，也可一体化加工。
[0035]
如图5所示，本发明收集器的拾振结构由两个弹性系数分别为k1，k2的平面弹簧(1
‑
1、1
‑
2)共同连接一个质量为m的永磁体(3)构成，c1，c2分别为两个弹簧的阻尼系数，y(t)为外界作用激励，z(t)为质量块(永磁铁3)的位移。这两个不同的弹簧使系统具有两个不同的特征频率f1，f2，当外界振动激励频率作用到收集器时，对于不同的频率，收集器会有3种振动模态，如图6所示。当外界频率为f1时，对应的弹性系数为k1的弹簧处于共振，由此带动质量块(永磁铁3)上下运动，与固定在外壳5上的线圈6产生相对位移，由此使通过线圈的磁通量改变，感应出电压，从而将振动能量转化成电能，完成了能量的收集，如图6中(a)所示，此时收集器处于振动模态一。当外界频率为f2时，对应的弹性系数为k2的弹簧处于共振，同样也能将振动能量转化成电能，如图6中(b)所示，此时收集器处于振动模态二。当外界频率不处于振动器的共振频率时，弹簧k1和弹簧k2共同带动永磁体运动，由于不再共振频率，运动行程很小，输出的电压小，如图6中(c)所示，此时收集器处于振动模态三。收集器在外界振动频率为f1和f2时，永磁体有大的运动行程，输出的电压大，即f1和f2为收集器的两个工作频率点。
[0036]
根据图1及图2所示结构，本发明人制作了收集器的样机。其中外壳5和连接件2采用树脂材料通过3d打印制作，线圈6用线径为0.1mm的铜漆包线绕制而成，平面弹簧(1
‑
1、1
‑
2)采用黄铜，通过机制加工制作，永磁铁3为钕铁硼材料，整个装置的大小约为62mm
×
32mm
×
17mm。
[0037]
永磁铁3的尺寸为40mm
×
15mm
×
5mm，由两个平面弹簧(1
‑
1、1
‑
2)共同连接，在永磁铁3尺寸确定的情况下，永磁铁3在线圈6中产生的磁场由永磁铁3与线圈6的相对位置决定。在有限元软件comsol中对永磁铁3与线圈6的相对位置与通过线圈的磁通量的关系进行仿真，得到在不同相对位置下通过线圈的磁通量大小，求导后得到磁链变化率与相对位置的关系，如图7所示。从图7中可以看出，当相对位置为2.7mm时，磁链变化率最大，则设定永磁铁3与线圈6的相对位置应为2.7mm左右。
[0038]
本发明的样机在谐振点的波形波如图8和图9所示，在共振频率67hz和115hz下输出的峰峰值电压分别为632.6mv和244.9mv。样机的频率
‑
电压曲线如图10所示，从图10中可以看出，该样机有两个谐振频率点，相比于单谐振点的收集器，收集范围从2～4hz拓宽到8～10hz。
[0039]
传统的阵列式结构可分为两种：一种通过相同的结构阵列来增加单谐振点的输出功率，相同的结构阵列可以是磁铁阵列或者运动结构阵列；另一种则是通过不同的相似结构阵列来增加工作频率，例如长度成等差分布的悬臂梁结构阵列，可以使工作频率覆盖一个较大的频段。以上的阵列式结构增大了整个装置的体积，并且对工艺的要求高。本发明所采取的结构是两个差别较大的平面弹簧结构来获得两个谐振点的工作频率，且使用两个弹簧共用一个大磁铁来抵消体积增大带来的功率密度降低。
[0040]
本发明提出的基于非对称
‑
双平面弹簧的振动能量收集器，通过不同弹性系数的平面弹簧组合使得收集器的带宽增加，在单弹簧单振子的基础上，通过非对称的两个平面弹簧共同连接一个永磁体振子，使整个装置能够收集基于不同弹簧产生的两个共振频率下的振动能量，整个设计兼顾了设计复杂度、成本、输出功率，具有收集范围宽、结构简单、成本低等优点，该收集器可以收集铁轨上运行车辆、行驶的汽车等产生的振动能量。
[0041]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。