[发明专利]增强型超多稳态宽频振动能量收集装置

说明书

本发明公开了一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置，由圆筒状金属外壳和设置在外壳中的竖向导杆构成在外界竖向激励条件下往复运动的竖向运动模块；串联设置的上波纹管和下波纹管套装在导杆上，上波纹管的底部固定在下底板上，质量块固定在上波纹管的顶端，设有内圆环磁铁的主质量单元位于上波纹管和下波纹管的连接处，与质量块共同构成拉拉环结构；利用设置在金属外壳中部的外侧永磁体基座固定设置多道外圆环永磁体，由内圆环磁铁与外圆环永磁体构成多稳态结构；能量转化单元中的摩擦材料贴附在纹波管的外表面，用于在振动过程中随着与波纹管的表面的接触和分离进行发电。本发明能够实现将环境中低频、宽频条件下的振动能量转化为电能，尤其为无线传感装置供电。

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，更具体地说是涉及一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置。

背景技术

能量收集器是用于采集周围环境中的振动能量，并转换为电能的装置，具有体积小、能量密度高和环保等优点，摆脱了传统电池需要定期更换或者充电等问题的束缚，可以实现实时供电的目标，在无线传感网络中发挥着极其重要的作用。

振动能量收集器按照能量转换的方式主要分为压电式、电磁式和静电式三种。压电式振动能量收集器通过压电材料将振动能转换为应变能，进而转换为电能；电磁式振动能量收集器通过磁铁切割线圈产生感应电动势；静电式振动能量收集器需要提供外部电源，振动改变电容大小输出电能；近年来兴起的摩擦纳米发电技术，作为一项颠覆性技术，所成就的摩擦纳米发电机基于摩擦起电效应和静电感应，能够将机械能转化为电能，同时还具有极佳的输出特性和低频响应优势。

线性设计的振动能量收集器的工作频率被限制在结构的谐振点附近。当外部频率偏移时，振动能量收集器的输出效率将急剧下降，而环境中的振动能量具有明显的宽频特性，并且大多集中在低频附近，因此如何实现高效的低频、宽频条件下的振动能量收集是目前一直聚焦的热点。

已有双稳态宽频振动能量收集器，包括基于引入外部磁铁、通过预紧力构建弯曲梁结构以及多模态结构的方案，其虽然在原理上可以实现宽频响应，但是真正在低频如何更好地实现多稳态响应，即如何更好地跨越势垒，仍然是亟待解决的问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置，有效提高低频条件下能量收集器的宽频输出性能。

本发明为实现发明目的采用如下技术方案：

本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点是：

由外侧永磁体基座和分处在外侧永磁体基座两端的下金属圆筒和上金属圆筒构成圆筒状金属外壳；在所述金属外壳的顶端和底端分别设置上底板和下底板，在所述金属外壳中，由所述上底板和下底板支撑有导杆，构成沿导杆轴向上的竖向运动模块，在外界竖向激励条件下往复运动；

在所述金属外壳中，串联设置的上波纹管和下波纹管套装在导杆上，所述下波纹管的底部固定在下底板上，环状质量块固定在上波纹管的顶端，设有内圆环磁铁的主质量单元位于上波纹管和下波纹管的连接处，与环状质量块共同构成拉拉环结构，在所述竖向运动模块的往复运动过程中，环状质量块和主质量单元在波纹管作用下协同运动，不断地将机械能传递给主质量单元，使得主质量单元获得更多的动能；

在所述金属外壳中，利用外侧永磁体基座和卡环固定设置多个外圆环永磁体，包括处在轴向不同位置上的第一圆环磁铁、第二圆环磁铁和第三圆环磁铁，由所述内圆环磁铁与外圆环永磁体构成双稳态结构；通过增加外圆环永磁体的数量相应增加结构稳态数目；

设置能量转化单元，包括在所述上波纹管和下波纹管的外表面贴附摩擦材料用于在振动过程中随着与波纹管的表面的接触和分离实现接触分离式摩擦发电。

本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点也在于：调整各外圆环永磁体和内圆环磁铁的内外径条件，以及调整各外圆环永磁体之间的轴向间距，实现多稳态势垒的数目和大小配置。