本發(fā)明屬于能量收集技術領域，更具體涉及一種低頻振動電磁能量收集器。

背景技術：

振動是自然界一種基本物理現(xiàn)象。利用振動能轉化為電能的方式用于能量收集有多種，例如壓電式、電容式及電磁式等。其中電容式能量收集需要單獨設置預充電源，壓電式能量收集制工復雜。

對于電磁式收集方式，隨著器件結構微型化致使器件固有頻率極大增加，因此導致低頻振動的能量收集，特別是低于60Hz的振動頻率，存在能量收集產業(yè)化實現(xiàn)瓶頸。

因此急需一種技術方案能夠有效的實現(xiàn)低頻振動電磁式能量收集，同時制工和結構簡單。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是如何有效的實現(xiàn)低頻振動電磁式能量收集，同時制工和結構簡單。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種低頻振動電磁能量收集器，所述低頻振動電磁能量收集器包括能量收集器殼體、懸臂梁長板、懸臂梁短板、碰撞質量塊、磁場產生件以及多匝線圈；

所述懸臂梁長板的一端固定于所述能量收集器殼體的一側面的內表面，所述懸臂梁長板的另一端的固定有所述多匝線圈；所述懸臂梁短板的一端固定于固定所述懸臂梁長板的側面的內表面，所述懸臂梁短板位于所述懸臂梁長板的正上方，并且所述懸臂梁短板與所述懸臂梁長板平行，所述懸臂梁短板的另一端的下板面固定有所述碰撞質量 塊，所述碰撞質量塊距離所述懸臂梁長板預定距離；所述磁場產生件固定與所述能量收集器殼體的內表面，并且所述多匝線圈運動時切割所述磁場產生件的磁感線；

振動環(huán)境提供振動激勵給所述能量收集器殼體，所述懸臂梁短板隨所述振動激勵同時發(fā)生振動，所述碰撞質量塊對所述懸臂梁長板的預定位置發(fā)生碰撞，使所述懸臂梁長板產生接近其本身固有頻率的振動，所述多匝線圈以與所述懸臂梁長板相同的頻率振動，切割磁感線，產生的電信號。

優(yōu)選地，所述低頻振動電磁能量收集器還包括導線，所述導線與所述多匝線圈連接，用于將所述多匝線圈產生的電信號導出。

優(yōu)選地，所述低頻振動電磁能量收集器還包括負載電阻，所述負載電阻通過所述導線與所述多匝線圈并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長板固定于其所在側面的幾何中心位置處。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長板的長度大于所述述懸臂梁短板的長度。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長板的固有頻率大于所述懸臂梁短板的固有頻率，所述懸臂梁短板的固有頻率接近所述振動激勵的頻率。

優(yōu)選地，所述懸臂梁長板的固有頻率為中高頻，所述振動激勵的頻率為低頻。

優(yōu)選地，所述磁場產生件包括兩塊永久磁鐵塊，所述兩塊永久磁鐵塊分別固定于所述能量收集器殼體的頂面的內表面和底面的內表面，并且所述兩塊永久磁鐵塊分別位于所述多匝線圈的正上方和正下方。

優(yōu)選地，所述磁場產生件由一塊以上的永久磁鐵塊疊加形成，所述磁場產生件固定于與固定所述懸臂梁長板的側面相對的側面的內表面上，并且所述磁場產生件與所述懸臂梁長板固定的位置相對應。

優(yōu)選地，所述多匝線圈為圓形或矩形。

本發(fā)明提供了一種低頻振動電磁能量收集器，本發(fā)明的電磁能量收集器實現(xiàn)了低頻振動模態(tài)向中高頻振動模態(tài)轉化接近其中懸臂梁長板的固有振動頻率，同時結合運動的多匝線圈切割磁感線產生電信號， 實現(xiàn)低頻振動電磁式能量收集，并且通過碰撞的方式來極大提高了電磁式懸臂梁結構的低頻能量收集帶寬。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的立體圖；

圖3為本發(fā)明的另一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的另一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的立體圖；

圖5A、5B為本發(fā)明的低頻振動電磁能量收集器的多匝線圈的截面示意圖

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

一種低頻振動電磁能量收集器，如圖1、2所示，所述低頻振動電磁能量收集器包括能量收集器殼體1、懸臂梁長板2、懸臂梁短板10、碰撞質量塊9、磁場產生件7和3以及多匝線圈8。所述懸臂梁長板2的一端固定于所述能量收集器殼體1的一側面的內表面，所述懸臂梁長板2的另一端的固定有所述多匝線圈，優(yōu)選地，多匝線圈固定于懸臂梁長板2的另一端的上板面；所述懸臂梁短板10的一端固定于固定所述懸臂梁長板2的側面的內表面，所述懸臂梁短板10位于所述懸臂 梁長板2的正上方，即臂梁短板10固定于固定所述懸臂梁長板2的側面的中心區(qū)域偏上的位置，并且所述懸臂梁短板10與所述懸臂梁長板2平行，所述懸臂梁短板10的另一端的下板面固定有所述碰撞質量塊9，所述碰撞質量塊9距離所述懸臂梁長板2預定距離，優(yōu)選地，所述預定距離根據實際需要可進行調節(jié)；所述磁場產生件7和3固定與所述能量收集器殼體1的內表面，并且所述多匝線圈8運動時切割所述磁場產生件的磁感線，即多匝線圈8運動時，永久磁鐵塊3、7產生的電磁場需要切割于多匝線圈8的幾何結構面。優(yōu)選地，上述預定距離為微小距離。

振動環(huán)境提供振動激勵給所述能量收集器殼體1，所述懸臂梁短板10隨所述振動激勵發(fā)生振動，此時所述懸臂梁長板2可能隨殼體1的振動同時發(fā)生振動，也可能由于殼體1振動頻率過低不能使懸臂梁長板2隨著發(fā)生震動。所述碰撞質量塊9隨著懸臂梁短板10的振動而振動，從而對所述懸臂梁長板2的預定位置發(fā)生碰撞，使所述懸臂梁長板2產生接近其本身固有頻率的振動，固定于懸臂梁長板2另一端的所述多匝線圈8以與所述懸臂梁長板2相同的頻率振動，切割磁場產生件7、3產生的磁感線，產生的電信號，實現(xiàn)對低頻振動能量的收集。產生的電信號可以存儲，當然也可以直接接到用電裝置上使用。其中，上述預定位置可以根據實際情況，通過調整懸臂梁長板2和懸臂梁短板10的長度進行調整。

上述電磁能量收集器實現(xiàn)了低頻振動模態(tài)向中高頻振動模態(tài)轉化接近其中懸臂梁長板的固有振動頻率，同時結合運動的多匝線圈切割磁感線產生電信號，實現(xiàn)低頻振動電磁式能量收集，并且通過碰撞的方式來極大提高了電磁式懸臂梁結構的低頻能量收集帶寬。

進一步地，所述低頻振動電磁能量收集器還包括導線4、6，所述導線4、6與所述多匝線圈8連接，用于將所述多匝線圈8產生的電信號導出。所述低頻振動電磁能量收集器還包括負載電阻5，所述負載電阻5通過所述導線4、6與所述多匝線圈8并聯(lián)，如圖1所示。當沒有 洛倫茲力耦合振動模態(tài)時，負載電阻5的阻值接近于多匝線圈8的電阻值時，收集的平均能量最大。

進一步地，所述懸臂梁長板2位于但不限于其所在側面的幾何中心位置處。只要懸臂梁長板2固定的位置可以很好地在懸臂梁短板10的作用下發(fā)發(fā)生振動即可。優(yōu)選地，所述懸臂梁長板2的長度大于所述述懸臂梁短板10的長度。

進一步地，懸臂梁長板2的長、寬與厚尺寸依據實際需求來制定，當其尺寸越小，懸臂梁長板2的固有頻率也就越高。懸臂梁長板2的存在目的是為多匝線圈8提供運動。懸臂梁短板10的長、寬與厚尺寸需依據外界環(huán)境頻率及碰撞點來確定，懸臂梁短板10的目的是為碰撞質量塊9提供低頻振蕩。懸臂梁長板2與懸臂梁短板10的空間需保持空間平行。

進一步地，所述懸臂梁長板2的固有頻率大于所述懸臂梁短板10的固有頻率，所述懸臂梁短板10的固有頻率接近所述振動激勵的頻率。其中所述懸臂梁長板的固有頻率為中高頻，所述振動激勵的頻率為低頻。這種設計可以使懸臂梁短板10在振動激勵的作用下非常容易的開始振動，并且在懸臂梁短板10帶動述碰撞質量塊對懸臂梁長板2碰撞的情況下，使懸臂梁長板2容易發(fā)生與其固有頻率近似的振動。上述中高頻為頻率為100Hz以上的頻率，低頻為頻率為50-60Hz之間的頻率。

進一步地，如圖1所示，所述磁場產生件包括兩塊永久磁鐵塊7、3，所述兩塊永久磁鐵塊分別固定于所述能量收集器殼體的頂面的內表面和底面的內表面，并且所述兩塊永久磁鐵塊7、3分別位于所述多匝線圈8的正上方和正下方。永磁鐵塊7和永磁鐵塊3也可以位于殼體的內表面的其他地方，只要保證多匝線圈運動時切割永磁鐵塊7和用磁鐵塊3產生的磁感線即可。優(yōu)選地，永磁鐵塊7的N極與永磁鐵塊3的S極相對，當然并不限于這種方式，例如，永磁鐵塊7的S極與永磁鐵塊3的N極相對、永磁鐵塊7的N極與永磁鐵塊3的N極相對、 永磁鐵塊7的S極與永磁鐵塊3的S極相對。當多匝線圈8受激做中高頻縱向運動時，多匝線圈8上產生洛倫茲力會與懸臂梁長板2相互發(fā)生強耦合，其耦合的效果反作用于多匝線圈8縱向運動。

進一步地，如圖5A、5B所示，所述多匝線圈的截面為圓形或矩形，但是并不限于圓形和矩形。

當此低頻振動電磁式能量收集器安裝在低頻振動環(huán)境中或攜帶在人體時，環(huán)境或人體的振動通過碰撞質量塊9撞擊懸臂梁長板2，使懸臂梁長板2的自由端不停的縱向做中高頻的振動，從而帶動多匝線圈8亦做相同的中高頻縱向運動，多匝線圈8處在永久磁鐵3、7的空間磁場分布之中，因此多匝線圈8隨之產生瞬態(tài)交流電流，瞬態(tài)交流電流隨即輸出到負載電阻5消耗，從而實現(xiàn)為各種電子器件或傳感器提供電能。上述收集器采用電磁式原理，利用懸臂梁振動進行的能量收集結構，易獲得較大的感應電流，且制作方便。另外，上述實施例通過雙懸臂梁結構及洛倫茲力相互耦合，有效擴展能量收集頻帶，同時也可通過負載電阻值及多匝線圈電阻值調節(jié)，實現(xiàn)最大平均能量收集輸出，從而大幅度提高能量轉換效率。

圖3為本發(fā)明的另一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的另一個較佳實施例的低頻振動電磁能量收集器的立體圖。本實施例的所述低頻振動電磁能量收集器包括能量收集器殼體11、懸臂梁長板12、懸臂梁短板20、碰撞質量塊19、磁場產生件13、14以及多匝線圈18、導線15、17以及負載電阻16。

如圖3、4所示的另一實施例的低頻振動電磁能量收集器，磁場產生件由兩塊永久磁鐵塊13、14疊加形成，并且所述磁場產生件固定于與固定所述懸臂梁長板的側面相對的側面的內表面上，優(yōu)選地，所述磁場產生件與所述懸臂梁長板固定的位置相對應。永磁鐵塊13和永磁鐵塊14也可以位于殼體的內表面的其他地方，只要保證多匝線圈18運動時切割永磁鐵塊13和用磁鐵塊14產生的磁感線即可。優(yōu)選地，永磁鐵塊13的N極與永磁鐵塊14的S極接觸，當然并不限于這種方 式，例如，永磁鐵塊13的S極與永磁鐵塊14的N極接觸、永磁鐵塊13的N極與永磁鐵塊14的N極接觸、永磁鐵塊13的S極與永磁鐵塊14的S極接觸。當多匝線圈18受激做中高頻縱向運動時，多匝線圈18上會產生橫向的洛倫茲力，不與懸臂梁長板12發(fā)生耦合。

此實施例的低頻振動電磁能量收集器的其他結構與上一實施例相同，這里不再贅述。

本發(fā)明的電磁式能量收集器，把周圍環(huán)境中低頻振動產生的機械能轉化為電能。在低頻振動激勵下，低頻振動的碰撞質量塊會與懸臂梁長板特定位置發(fā)生碰撞，碰撞后的懸臂梁長板會產生中高頻振動，帶動固定在懸臂梁長板自由端的多匝線圈也會隨之發(fā)生中高頻的振動。由于多匝線圈處在永久磁鐵產生的空間電磁場中，當多匝線圈發(fā)生切割磁感線運動時，會在多匝線圈內產生瞬態(tài)交變電流能量，可以輸出至負載電阻消耗或儲能單元儲存。本發(fā)明的電磁式能量收集器實現(xiàn)了低頻振動電磁式能量收集，不需像電容式能量收集器那樣單獨設置預充電源，也不需像壓電式能量收集器那樣制工復雜，實現(xiàn)了電磁式能量收集的無源化，并且制作工藝簡單化，同時通過碰撞的方式來極大提高了電磁式懸臂梁結構的低頻能量收集帶寬。

本發(fā)明的收集器可用來給各種便攜式電子器件、無線傳感器及可穿戴器件等供電，擺脫電池供電的局限性。

上述兩個實施例中，為保證懸臂梁長板2、12有足夠的彈性形變，可優(yōu)先選用鋁作為懸臂梁長板2、12的材料，如果微制造需求更小尺寸，亦可使用硅作為懸臂梁長板2、12材料。為保證懸臂梁短板10、20有足夠的彈性形變，可優(yōu)先選用黃銅作為懸臂梁短板10、20的材料，如果微制造需求更小尺寸，可使用SU8或苯并環(huán)丁烯等作為懸臂梁短板10、20的材料?？捎勉~作為多匝線圈8、18的原材料，多匝線圈8、18的幾何形狀可制作成圓形或者矩形?？捎勉~作為碰撞質量塊9、19的原材料，碰撞質量塊9、19的下端可與懸臂梁長板2、12保持足夠小的距離，空間距離根據需求的能量收集測算來確定。選用NdFeB永 久電磁鐵塊3、7、13、14，上下兩塊電磁鐵塊3、7的空間距離盡量保持合理范圍；或左側電磁鐵塊13、14與懸臂梁長板2、12自由端空間距離盡量保持合理范圍。負載電阻5值應通過測算確定，測算方法依據器件的平均收集能量，負載電阻16值應與多匝線圈18電阻值接近。

以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。