[发明专利]一种非谐振非接触式的振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及一种非谐振非接触式的振动能量采集器，本发明属于微机械传感器领域。

背景技术

随着无线传感网络和微电子机械系统的迅速发展，出现了许多无线传感器等无线设备。如何有效地为它们供电已越来越多地受到人们的关注。目前这些系统主要通过电池供电，但是，电池的寿命短，存储能量有限，相对于欲供电器件而言，它们往往体积和质量大，而且在某些应用中更换电池成本很高，过程复杂。因此，如何解决无线设备的供电问题成为研究的热点。

振动能量采集器可以把环境中存在的振动能量转换成电能。按照其工作方式，可以分成静电式、压电式和电磁式三种(S.P.Beeby，M.J.Tudor and N.M.White，“Energy harvesting vibration sources for microsystems applications，”Measurement Science and Technology，vol.17，p.R175，2006.)。对于传统的振动能量采集器，只有外界环境的振动频率在能量采集器中振动结构的谐振频率附近时，振动结构发生谐振，振幅较大，能量采集器才能产生较多的电能。当外界环境的振动频率偏离能量采集器中振动结构的谐振频率时，其产生的电能相对很小。

2009年，密西根大学制作了非谐振的能量采集器(T.Galchev，H.Kim andK.Najafi，“Non resonant bi-stable frequency-increased power scavenger fromlow-frequency ambient vibration，”Transducers 2009，Denver，CO，USA，June21-25，2009，p.632.)。通过磁吸引力，质量块交替与上下两个弹簧上的磁铁吸合和分开。质量块与弹簧上的磁铁分开后弹簧自由振动，通过电磁效应发电。此能量采集器通过磁铁的吸合和分开驱动弹簧，不需要与外界振动发生谐振，可以在较宽的外界频率下工作，发电效率受外界振动频率影响很小。但是由于是用磁吸合力工作的，所以质量块上的磁铁和振动弹簧上的磁铁的吸力不能太大，否则会导致无法分开，器件不能工作，所以其发电的功率受到限制；而且由于每次质量块与弹簧吸合发生碰撞，其能量采集器的可靠性不能保证。

发明内容

为了克服现有能量采集器工作频率受限，发电功率小，可靠性差的不足，本发明的目的在于提供一种非谐振非接触式振动能量采集器。所述的能量采集器由感应外界振动的质量块和产生电能的弹簧发电系统组成。质量块感应外界振动，通过质量块与弹簧发电系统之间的脉冲排斥力将能量传递给弹簧，驱动弹簧振动，通过电磁效应产生电能。本发明所述的能量采集器通过驱动磁铁与被动磁铁之间的脉冲排斥力驱动弹簧系统振动，所以不需要与外界环境发生振动，可在宽的频率范围内工作，发电功率受外界振动频率影响小，并且发电功率高，可靠性能好。所述的排斥力可以是磁排斥力，电排斥力等各种形式的排斥力，在本发明的原理说明和实例中以磁排斥力为例说明。

本发明所述的非谐振非接触式的振动能量采集器的基本原理如下：

如图1所示，所述的能量采集器由感应外界振动的质量块和产生电能的弹簧发电系统组成。质量块上有驱动磁铁，当器件随着外界环境振动时，质量块由于受到惯性力的作用，会在如图所示的方向运动。弹簧发电系统是由弹簧，位于弹簧上的被动磁铁和固定在被动磁铁周围的线圈组成。弹簧和被动磁铁构成振动系统，可按照自己的本征频率振动。通过驱动磁铁和被动磁铁之间的脉冲磁排斥力，质量块将能量传递给弹簧发电系统，驱动弹簧振动，位于弹簧上的被动磁铁也随着弹簧振动，线圈中的磁通量发生变化，根据电磁效应，会在线圈内激发感生电动势，从而产生电能。