本發明屬于自發電，具體為一種基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器。

背景技術：

1、在過去幾十年，隨著無線傳感網絡的迅速發展，傳感器節點數量成指數級的增加，人們對傳感器節點供電的可靠性和持久性要求也在日益提高，而傳統電池有對環境造成影響、有限續航時間和有限容量等問題，這讓許多研究人員將研究視角轉向了從傳感器節點所處的周圍環境中獲取能量，使傳感節點實現電力自給，從而極大提高降低整個無線傳感網絡的使用壽命，并顯著降低系統的維護費用。

2、從周圍環境中采集能量的方式包括太陽能，熱能、振動能等，而相較其它環境能，振動能在工業，人體，以及交通工具上更為普遍。振動能源采集主要有三種方式：電磁，靜電和壓電。相比其他兩種振動能源采集方式，電磁方式具有結構簡單，輸出功率更高的優點。傳統的電磁式振動能源采集器通常具有單一的諧振頻率，但外界激勵頻率等于其諧振頻率可以實現最大的位移，并實現最大的采集功率。然而，當外界激勵頻率偏離共振頻率時，采集的功率急劇下降。環境中的實際振動總是具有寬的動態范圍，如何適用于復雜的振動環境，如何提高能量采集效率，如何消除振動中采集器內部結構的摩擦等問題成為了自供電的技術難點。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發明提供一種基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器設計，該采集器能夠克服傳統的電磁式單自由度振動能源采集器不能在復雜和多變的振動環境高效采集振動能量的問題，能夠在更寬的頻率范圍內有效采集能量，也能讓采集器的裝配更加方便。

2、為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：一種基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器,包括蓋子、外殼、磁感應發電模塊和激勵模塊；所述外殼為空心圓柱體，兩端設置內螺紋制作，上下兩端的開口與平面彈簧的直徑大小相同，磁感應模塊放置在外殼的頂部，激勵模塊放置在外殼的底部，圓柱體外殼兩端通過兩個相同的蓋子螺紋密封。

3、所述的磁感應發電模塊包括：螺栓、上平面彈簧、熱熔螺母、線圈支架和線圈繞組。熱熔螺母嵌入樹脂材料制成的繞組支架；線圈繞組纏繞在繞組支架凹槽中；螺栓穿過上平面彈簧的中心圓孔，旋進繞組支架中的熱熔螺母，上平面彈簧固定在外殼上端內螺紋底部。所述的激勵模塊包括：螺母、上磁鐵、鐵磁墊片、下磁鐵、磁鐵支架、下平面彈簧和螺栓。上磁鐵和下磁鐵是大小相同并且極性相反的環形磁鐵；在兩個環形磁鐵中間使用鐵磁墊片將兩個環形磁鐵吸附在一起，成為上磁鐵-鐵磁墊片-下磁鐵組合；所述的磁鐵支架穿過上磁鐵-鐵磁墊片-下磁鐵組合，磁鐵支架的中心通孔對準下平面彈簧的中心圓孔，將螺栓穿過下平面彈簧的中心圓孔和磁鐵支架的中心通孔，螺母用于固定激勵模塊。

4、作為優選，所述的彈簧采用的是平面彈簧。

5、所述平面彈簧使用的材料是65si2mn，上平面彈簧由四個蛇形扇區組成，下平面彈簧由三個蛇形扇區組成。

6、所述繞組支架使用的材料是樹脂，繞組支架下部為凹槽，中間部分為空心圓柱體，頂部為空心圓柱體，直徑小于中間部分。繞組支架內徑大于磁鐵的直徑，有利于放置與磁鐵間距極小的線圈繞組，來提高線圈繞組中的磁感應強度，從而使本發明可以獲得較大的感應電壓；

7、作為優選，所述的磁鐵支架用于將上磁鐵-鐵磁墊片-下磁鐵組合固定在下平面彈簧上，磁鐵支架的底部為空心圓柱體，避免激勵模塊在振動時與下平面彈簧發生碰撞和摩擦，磁鐵支架中間有一圓形通孔，用于穿過螺栓。

8、作為優選，所述的外殼為空心圓柱體，在兩端切除設置內螺紋制作而成，上下兩端的開口與平面彈簧的直徑大小相同，利于固定平面彈簧，避免平面彈簧發生橫向的位移，外殼中間有小孔，可以引出線圈將采集到的能量為后級使用，所述的蓋子可以旋入外殼，用于固定平面彈簧，避免平面彈簧發生縱向的位移。

9、本發明使用法拉第電磁定律，受到外部激勵后，裝置會產生受迫振動，永磁體和線圈繞組發生相對運動，線圈繞組中的磁鏈也隨之開始發生變化，從而線圈繞組產生感應電壓。根據原理可知，相對運動的振幅越大，產生的感應電壓也就越大。結構內部可以放置與永磁體間距極小的線圈繞組，來提高線圈繞組中的磁感應強度，從而使得本發明可以獲得較大的感應電壓。

10、本發明結構簡單，組裝方便，只需要平面彈簧，線圈繞組，繞組支架，永磁體，鐵磁墊片等核心零部件，適用于寬頻率范圍振動能量采集。

11、本發明相比于其他電磁式采集器，可以通過改變上下平面彈簧的剛度來調整雙自由度采集器的兩個諧振頻率，運用到不同場景下獲取到最佳的輸出特性。其次，采集器的零部件都可以根據3d打印制作，降低了設備的制作成本，易于批量生產。

12、本發明的有益效果是：

13、1、磁感應發電模塊和激勵模塊在受到外界激勵時，擁有各自的諧振角頻率和，克服了單自由度采集器當外界激勵頻率偏離諧振頻率時輸出性能急劇下降的缺點，適用于寬頻率范圍的振動環境。

14、2、使用上磁鐵-鐵磁墊片-下磁鐵構成的激勵模塊，相斥的磁鐵貼合在一起利于減弱軸向磁場強度，增加縱向磁場強度，中間的鐵磁墊片消除了磁鐵間排斥力，而且可以增加徑向磁感應強度，從而提升采集器的輸出性能。

15、3、平面彈簧結構確保了內部運動的磁鐵和線圈只發生軸向運動，避免了內部結構之間的碰撞和摩擦。

技術特征：

1.一種基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，包括蓋子（1）、外殼（2）、磁感應發電模塊和激勵模塊；

2.根據權利要求1所述的基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，所述磁感應發電模塊包括：螺栓（3）、上平面彈簧（4）、熱熔螺母（5）、線圈支架（6）和線圈繞組（7）；

3.根據權利要求2所述的基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，所述激勵模塊包括：螺母（8）、上磁鐵（9）、鐵磁墊片（10）、下磁鐵（11）、磁鐵支架（12）、下平面彈簧（13）和螺栓（14）；上磁鐵（9）和下磁鐵（11）是大小相同并且極性相反的環形磁鐵；在兩個環形磁鐵中間使用鐵磁墊片將兩個環形磁鐵吸附在一起，從上到下依次為上磁鐵（9）、鐵磁墊片（10）、下磁鐵（11）；所述的磁鐵支架（12）穿過上磁鐵（9）、鐵磁墊片（10）、下磁鐵（11）組合，磁鐵支架的中心通孔對準下平面彈簧（13）的中心圓孔，將螺栓（14）穿過下平面彈簧（13）的中心圓孔和磁鐵支架（12）的中心通孔，螺母（8）用于固定激勵模塊。

4.根據權利要求3所述的基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，所述上平面彈簧（4）和下平面彈簧（13），使用的材料是65si2mn，上平面彈簧（4）由四個蛇形扇區組成，下平面彈簧（13）由三個蛇形扇區組成。

5.根據權利要求4所述的基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，所述繞組支架（6）使用的材料是樹脂，繞組支架（6）下部有凹槽，中間部分為空心圓柱體，頂部為空心圓柱體，直徑小于中間部分，繞組支架（6）內徑大于磁鐵的直徑。

6.根據權利要求5所述的基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，其特征在于，所述外殼（2）中間有小孔，用于引出線圈獲取采集到的能量。

技術總結
本發明公開了一種基于平面彈簧的電磁式雙自由度振動能源采集器，包括蓋子、外殼、磁感應發電模塊和激勵模塊；所述外殼為空心圓柱體，兩端設置內螺紋制作，上下兩端的開口與平面彈簧的直徑大小相同，磁感應模塊放置在外殼的頂部，激勵模塊放置在外殼的底部，圓柱體外殼兩端通過兩個相同的蓋子螺紋密封。本發明克服了單自由度采集器當外界激勵頻率偏離諧振頻率時輸出性能急劇下降的缺點，適用于寬頻率范圍的振動環境。

技術研發人員：吳亞強,葉挺聰,王寧寧,劉磊,張正民
受保護的技術使用者：杭州電子科技大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24