一种多方向振动能量采集装置

1.本发明涉及微能量采集技术领域，尤其是涉及一种多方向振动能量采集装置。
2.

背景技术：

3.近年来，随着微电子技术、无线通信技术的快速发展，无线传感网络被应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化以及交通控制等领域，受到了人们的广泛关注。然而，传统基于化学电池的供电方式具有寿命短、更换难、成本高等局限性，供电问题已成为无线传感网络大规模应用的一大障碍。振动在环境中无处不在，采集环境中的振动能并将其转化为电能，从而代替传统电源为无线传感网络供电已成为该领域的研究热点。目前，环境振动能量的采集方式有静电式、电磁式、压电式等。
4.在实际应用中，环境振动源具有不稳定性、随机性，存在一定频带宽度的同时，还具有多方向性；当振动源的频率和振动方向与能量收集器装置不匹配时，能量收集器装置的输出能量会急剧减少，收集效率低，从而限制了能量收集器在复杂多变振动环境中的应用。同时，现有的振动能量采集装置大多存在能量转换效率低等问题，在多方向振动微能量的环境中无法有效的实现能量采集。
5.

技术实现要素：

6.本发明目的在于解决现有的振动能量采集装置无法高效地采集任意平面内的多方向振动微能量的问题，发明了一种可以将多方向振动微能量差动放大后进行采集的能量采集装置，通过本发明装置，可高效率地实现任意平面内的多方向振动微能量的采集。
7.本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种多方向振动能量采集装置，包括：包括底板，所述底板的上表面平行设置有环形滑槽、条形限位槽和椭圆轨道，所述环形滑槽固定设置在所述底板上，且所述环形滑槽内设有可滚动的滚球，所述条形限位槽和所述椭圆轨道中一者固定设置，另一者活动设置，且所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者与所述滚球连接，所述条形限位槽内设有用于电磁式能量转化的一对线圈和磁铁，所述线圈和所述磁铁分别位于其所在的所述条形限位槽的两端，并活动连接在所述椭圆轨道上，所述条形限位槽数量为2，两个所述条形限位槽位于同一平面且相交，交点位于所述环形滑槽的中心轴上，所述椭圆轨道的圆心位于所述环形滑槽的中心轴上；当所述底板受到多方向振动时，所述滚球在所述环形滑槽内滚动，带动所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者转动，使得两个所述条形限位槽内的所述线圈和所述磁铁均同时朝向/背离所述条形限位槽的中心移动，产生电能。
8.本发明提出的一种多方向振动能量采集装置，通过在底板上设置环形滑槽，由环形滑槽内的滚球感应所述底板受到的多方向振动后在环形滑槽内滚动，并通过滚球的滚动
带动条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生变化，使得所述条形限位槽内的线圈和磁铁的相对位置也随之发生变化，在二者运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，线圈会切割磁感线产生电流，实现任意平面内多方向振动能到电能的转化；同时，条形限位槽设置为两个，两个条形限位槽呈一定夹角，各条形限位槽内均设有线圈和磁铁，当条形限位槽与椭圆轨道的相对位置发生变化时，各条形限位槽内的线圈和磁铁都会同时朝向/背离条形限位槽中心移动，把任意平面内的多方向振动源通过滚球转化为对两对线圈和磁铁的差动冲击，从而将微能量放大，显著的提高了振动能量的采集效率。
9.值得一提的是，本发明中所描述的，所述条形限位槽和所述椭圆轨道其中一者固定设置，另一者活动设置，其中，固定设置是指相对于所述底板固定设置，活动设置是指相对于所述底板活动设置。关于所述滚球的材质，可以是金属，也可以是非金属，本发明不做限定。关于所述滚球与所述条形限位槽和所述椭圆轨道中活动设置的一者连接，其连接方式可以为弹性连接，也可以为刚性连接，根据实际使用需求而定，本发明不做限定。另外，考虑到实际使用中该多方向振动能量采集装置可单独使用，也可能被集成到其中装置上联合使用，关于所述条形限位槽和所述椭圆轨道的长短关系、以及所述环形滑槽、所述条形限位槽和所述椭圆轨道的上下位置关系均未做限定，只要满足当所述条形限位槽与所述椭圆轨道其中一者固定时，另一者可在所述滚球的带动下绕所述环形滑槽的中心轴任意转动。
10.在一较佳实施例中，所述条形限位槽中的所述线圈和所述磁铁在处于最大相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈外，且所述线圈和所述磁铁不会脱离所述条形限位槽，在处于最小相对距离时，所述磁铁至少部分位于所述线圈内。如此设置，使得所述线圈在移动过程中能够切割磁感线，保证了电磁转化效率。
11.进一步的，在所述椭圆轨道的长轴/短轴与两个所述条形限位槽的夹角的对角线平行或重合时，其中一个所述限位槽中的所述线圈/磁铁与另一个所述限位槽中的所述线圈/磁铁无交点。如此设置，保证所述线圈和所述磁铁在沿所述条形限位槽移动的过程中不会相撞，从而保证了能量采集平稳高效的进行。
12.进一步的，两个所述条形限位槽之间的夹角为45
°
~135
°
。如此设置，保证了能量采集平稳高效的进行。
13.进一步的，所述椭圆轨道设置在所述环形滑槽的内环侧壁或外环侧壁上，或者所述椭圆轨道设置在所述底板上。具体的，所述椭圆轨道底部设有连接件，所述连接件至少为两个，且以所述椭圆轨道的中心呈中心对称设置，当所述椭圆轨道固定设置时，所述连接件为固定连接件，当所述椭圆轨道活动设置时，所述连接件为活动连接件。
14.进一步的，所述条形限位槽活动设置，所述椭圆轨道固定设置，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动所述条形限位槽绕所述环形滑槽的中心轴转动。根据该设计方案，所述条形限位槽相对于所述底板活动设置，而所述椭圆轨道相对于所述底板固定不动，所述滚球与所述条形限位槽连接，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动两个所述条形限位槽同时绕所述环形滑槽的中心轴转动，使得各个所述条形限位槽内的所述线圈和所述磁铁在随着其所在的所述条形限位槽转动的同时沿着所述椭圆轨道滑动，即所述线圈和所述磁铁同时朝向/背离条形限位槽中心运动，在实现多方向振动微能量的差动采集的同时，实现了两个条形限位槽内能量采集装置的同时采集，大大提高了振动微能量的采集效率。
15.进一步的，所述条形限位槽与所述底板轴连接，且连接轴与所述环形滑槽的中心
轴重合，或者所述条形限位槽活动连接在所述环形滑槽或所述底板上。由于所述条形限位槽与所述底板轴连接，且连接轴与所述环形滑槽的中心轴重合，而所述滚球与所述条形限位槽相连，当所述滚球感应所述底板的多方向振动而在所述环形滑槽内滚动时，带动所述条形限位槽绕所述环形滑槽的中心轴转动；或者所述条形限位槽通过设置在其底壁或外侧壁上的连接件活动连接在所述环形滑槽的内环侧壁或外环侧壁上，连接件可以为滑动件、滚动件等，从而使得所述条形限位槽在所述滚球的带动下可绕所述环形滑槽的中心轴转动，且不会影响所述滚球在所述环形滑槽内的滚动。
16.在一较佳实施例中，还包括所述滚球与所述线圈和所述磁铁中的一者连接。所述滚球与所述线圈和所述磁铁中的一者连接，当所述滚球在所述环形滑槽内发生滚动时，给与之相连的所述线圈/所述磁铁一牵引力，从而使得活动设置的所述条形限位槽随之绕所述椭圆轨道的中心轴转动，而所述椭圆轨道固定设置，因而所述条形限位槽与所述椭圆轨道的相对位置发生变化。
17.在一较佳实施例中，所述条形限位槽固定设置，所述椭圆轨道活动设置，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动所述椭圆轨道绕其中心轴转动。根据该设计方案，当所述滚球在所述环形滑槽内滚动时，带动与之相连的所述椭圆轨道绕所述环形滑槽的中心轴转动，而所述条形限位槽固定不动，所述条形限位槽与所述椭圆轨道的相对位置发生变化，使得所述条形限位槽内的所述线圈和所述磁铁会同时朝向/背离条形限位槽中心运动，实现多方向振动微能量的差动采集。
18.进一步的，所述环形滑槽内环侧壁/外环侧壁的顶部或外侧部设有环形槽，或者所述底板上设有与所述环形滑槽同心的环形槽，所述椭圆轨道通过两个或四个连接部活动连接在所述环形槽内。
19.相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：1，本发明优点之一是通过在底板上设置环形滑槽和滚球，将平面内的多方向振动转化为滚球在环形滑槽内的滚动，并通过条形限位槽和椭圆轨道的设置，将滚球在环形滑槽内的滚动转化为条形限位槽和椭圆轨道相对位置的变化，从而使得设置在条形限位槽内的能量转化装置将振动能转化为电能，该装置结构巧妙，设计简单。
20.2，本发明优点之二是通过设置两个条形限位槽，两个所述条形限位槽位于同一平面且相交固定，交点位于所述环形滑槽的中心轴上，且各条形限位槽内均设有一对可沿其所在的条形限位槽移动又同时滑动连接在椭圆轨道上的线圈和磁铁，当在滚球的带动下，两个条形限位槽与椭圆轨道的相对位置均发生变化时，各条形限位槽内的线圈和磁铁均同时朝向/背离条形限位槽的中心位置运动，从而在实现多方向振动微能量的差动转化的同时，实现了两个条形限位槽内能量采集装置的同时采集，大大提高了振动微能量的采集效率。
21.附图说明
22.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是实施例1提供的多方向振动能量采集装置在其中一个条形限位槽内的磁铁
和线圈处于最大相对距离时的示意图及a、b方向的截面图；图2是实施例2提供的多方向振动能量采集装置在其中一个条形限位槽内的磁铁和线圈处于最大相对距离时的示意图；附图标记：1-底板，2-环形滑槽，3-条形限位槽，4-椭圆轨道，5-线圈，6-磁铁，7-滚球。
23.具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.实施例1结合图1所示，本发明提供一种多方向振动能量采集装置，包括底板1、固定设置在底板1上表面的环形滑槽2、固定设置在底板1上表面的两个条形限位槽3、活动设置在所述底板1上方且中心轴与环形滑槽2中心轴重合的椭圆轨道4、活动设置在各所述条形限位槽3内的用于电磁式能量转化的线圈5和磁铁6、活动设置在所述环形滑槽2内的滚球7。其中，两个条形限位槽3位于同一平面且相交固定，交点位于所述环形滑槽2的中心轴上，两个条形限位槽3之间的夹角为90
°
，所述条形限位槽3与所述底板1轴连接，连接轴与所述环形滑槽2的中心轴重合；所述线圈5和磁铁6分别设置在所述条形限位槽3的两端，所述线圈5和所述磁铁6的一端通过导向件分别与所述条形限位槽3、所述椭圆轨道4活动连接，另一端为自由端，所述线圈5与所述磁铁6的自由端相对，所述线圈5/所述磁铁6的长度小于所述椭圆轨道4短轴的长度；所述椭圆轨道4通过其长轴两端与所述环形滑槽2的内环侧壁固定设置，所述滚球7与所述椭圆轨道4的一端相连。
26.使用时，将所述底板1的下表面置于振动源上，当所述底板1受到多方向振动时，所述滚球7会在所述环形滑槽2内发生滚动，从而带动所述椭圆轨道4绕所述环形滑槽2的中心轴旋转，使得各个所述条形限位槽3内的所述线圈5和所述磁铁6随着所述椭圆轨道4的旋转而沿着所述条形限位槽3同时朝向/背离条形限位槽3中心运动，在实现多方向振动微能量的差动转化的同时，实现了两个条形限位槽内能量采集装置的同时采集，大大提高了振动微能量的采集效率。
27.实施例2结合图2所示，本实施例与实施例1的结构基本相似，所不同的是，两个条形限位槽3之间的夹角为60
°
，所述条形限位槽3活动设置在所述底板1上，所述椭圆轨道4固定设置在所述环形滑槽2上，所述滚球7与其中一个所述条形限位槽3相连。
28.使用时，将所述底板1的下表面置于振动源上，当所述底板1受到多方向振动时，所述滚球7会在所述环形滑槽2内滚动，从而带动所述条形限位槽3绕所述环形滑槽2的中心轴旋转，而各个所述条形限位槽3内的所述线圈5和所述磁铁6在随着其所在的所述条形限位槽3旋转的同时沿着所述椭圆轨道4滑动，即所述线圈5和所述磁铁6均同时朝向/背离条形限位槽3中心移动，在实现多方向振动微能量的差动转化的同时，实现了两个条形限位槽内能量采集装置的同时采集，大大提高了振动微能量的采集效率。
29.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。