基于非对称-双平面弹簧的宽范围振动能量收集器制造技术

本发明专利技术提供一种基于非对称

【技术实现步骤摘要】
基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器


[0001]本专利技术涉及微能量收集领域，具体是一种基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]申请公布号为CN111130296 A的专利技术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。
[0005]申请公布号为CN111245295 A的专利技术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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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
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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。
[0007]一种基于非对称
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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
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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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]进一步的，所述永磁铁采用钕铁硼材料。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本专利技术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，本专利技术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
[0018]图1是本专利技术基于非对称
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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；
[0019]图2是本专利技术基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器的立体结构图；
[0020]图3是本专利技术中的平面弹簧的结构示意图；
[0021]图4是本专利技术中的平面弹簧采用一体化加工的结构示意图；
[0022]图5是本专利技术中收集器拾振部分的原理示意图；
[0023]图6为本专利技术收集器的三种振动模态示意图；
[0024]图7为磁链与磁铁与线圈相对位置的关系图；
[0025]图8为本专利技术样机在共振频率67Hz下的测试结果图；
[0026]图9为本专利技术样机在共振频率115Hz下的测试结果图；
[0027]图10为本专利技术样机的频率
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电压图。
[0028]图中附图标记分述如下：
[0029]1‑
1—第一平面弹簧、1
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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]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]请参考图1和图2，本专利技术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。本专利技术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
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1、第二平面弹簧1
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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
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1、第二平面弹簧1
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2固定于连接件2，具体的，第一平面弹簧1
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1、第二平面弹簧1
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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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，其特征在于：包括外壳(5)、置于外壳(5)内部的连接件(2)、永磁铁(3)、安装于连接件(2)的第一平面弹簧(1
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1)、第二平面弹簧(1
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2)，第一平面弹簧(1
‑
1)、第二平面弹簧(1
‑
2)通过连接件(2)固定于永磁铁(3)，外壳(5)上对应永磁铁(3)位置绕设有线圈(6)，所述第一平面弹簧(1
‑
1)、第二平面弹簧(1
‑
2)为非对称
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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(1
‑
1)、第二平面弹簧(1
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2)振动带动永磁铁(3)上下运动，与固定在外壳(5)上的线圈(6)产生相对位移。2.如权利要求1所述的基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，其特征在于：外壳(5)的顶部对应第一平面弹簧(1
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1)、第二平面弹簧(1
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2)开设有两个凹槽，第一平面弹簧(1
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1)、第二平面弹簧(1
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2)分别放置在外壳(5)顶部的两个凹槽内。3.如权利要求1所述的基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，其特征在于：由第一平面弹簧(1
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1)和第二平面弹簧(1
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2)组成的平面弹簧组合可分别加工，也可一体化加工。4.如权利要求1所述的基于非对称
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双平面弹簧的宽范围振动能量收集器，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑景文，郭雨，凌在汛，崔一铂，陈文，蔡万里，熊平，成诚，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：