基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列

本技术涉及能量收集，具体而言涉及一种基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列。

背景技术：

1、随着无线传感网络和可携带电子器件等技术的进步与发展，低廉、低功耗智能传感器系统和分布式工作的无线传感器网络的发展蒸蒸日上，其应用范围已从军事领域辐射到包括建筑、交通、环保、电力、医疗卫生等工业和民用领域。和定期充电的移动电话与便携式电脑不同，无线传感网络节点和植入式器件需要依靠自身的电池持续工作。在多数情况下，无线传感网络节点和植入式器件不允许更换电池器件，或者很难保证对其电池系统的更换周期。因此，使用化学电池供电导致的储能耗尽是现有系统发展目前存在的瓶颈之一。要缓解其供电问题，从周围环境中收集能量受到了研究界的广泛关注，因为它不仅可以为易耗电源补偿能量，而且可以替代某些价格昂贵、环保型差的电源方案。能量收集技术的最终目标是实现无限的器件寿命。

2、目前，系统能量源主要包括太阳能、温度梯度、声波振动、机械振动等。其中，作为环境中普遍存在的一种能量形式，机械振动是我们比较关心的能量源，这是因为机械振动来源丰富，足以满足应用需求。目前，振动机械能转化为电能的方法有三种：压电式、静电式、电磁式。其中电磁感应根据法拉第定律，由振动时磁体和线圈之间的相对运动或者磁场的变化产生电流，电流的强度依赖于磁场的强度、相对运动速度和线圈的匝数。其模型比较成熟，而且被广泛应用在许多电能收集器中。

3、根据法拉第电磁感应定律制作的能量收集器主要是由线圈、磁铁和能量收集装置外壳组成。磁铁作为为装置提供稳定磁场的部分，其产生的磁场对于装置的性能起到了至关重要的作用。以往的能量收集装置都是单个或者多块组合集成在单独的能量收集装置中，以此来提供稳定的磁场，但是单个的能量收集装置其提供的能量有限，最高的能量输出为mw级别，同时其具有较窄的带宽，只能应用于单一场景下，这为能量收集装置的推广应用带来了很大限制。阵列式能量收集装置是解决单一能量收集装置输出低、带宽窄的有效措施之一。阵列式能量收集装置是将多个能量收集装置按照一定的排列方式进行排列组合而成的集成化装置。但由于磁铁本身的性质，在各个装置距离较近时，磁铁之间会相互影响，改变原有的磁场分布。这种情况会降低单个能量收集装置的性能，而不是简单的磁场叠加，因此，现有的阵列式电磁能量收集装置无法实现各阵列单元1+1>2的效果。

4、磁屏蔽是现有技术中解决磁铁之间相互影响的有效措施，但对于追求体积小、成本低的装置来说，现有的磁屏蔽方法会大大增加装置的体积和成本，降低装置的经济效益。

技术实现思路

1、本技术针对现有技术的不足，提供一种基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，本技术利用具有固定空洞组合的整块磁铁，并将空洞设置为贯穿整块磁铁，使每个空洞都能够加装线圈，代替单一独立的若干能量收集装置，由此，本技术能够在解决磁屏蔽问题的同时提高能量转化效率，增加能量输出。本技术具体采用如下技术方案。

2、首先，为实现上述目的，提出一种基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，包括：蜂窝式磁铁，其内部设置有若干前后贯通的孔洞，所述孔洞的轴线方向平行于蜂窝式磁铁的磁力线分布方向；印刷线圈，其设置于蜂窝式磁铁各孔洞的内部，由印刷于柔性薄膜上的导电结构环绕形成，每一个印刷线圈的柔性薄膜均分别设置为首尾交联固定成圆筒状，各柔性薄膜上的导电结构环绕形成前后电通路相互贯通的若干层圆环；弹性复位结构，其设置在蜂窝式磁铁中垂直于磁力线分布方向的端面，限制各印刷线圈与蜂窝式磁铁内部孔洞之间的位移量，驱使蜂窝式磁铁中不同孔洞内的印刷线圈恢复至接近中间的位置。

3、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，各所述印刷线圈固定安装于装置外壳内部；所述弹性复位结构为固定安装于装置外壳中的平面弹簧，所述平面弹簧的一侧抵接于蜂窝式磁铁中垂直于磁力线分布方向的端面，所述平面弹簧的另一侧由装置外壳封闭并在平面弹簧与装置外壳之间预留有供蜂窝式磁铁往复冲击的振动移位空间。

4、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述平面弹簧对称设置于蜂窝式磁铁的前后两侧端面，所述蜂窝式磁铁由平面弹簧限位从而悬浮于装置外壳中。

5、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述平面弹簧由具有弹性的乳胶材料制成，其厚度、内部同心圆数目根据蜂窝式磁铁质量以及装置外壳安装位置的固有振动频率共同确定。

6、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，各孔洞以蜂窝式磁铁的磁力线分布中轴线为对称中心均匀排布，并且，各孔洞的横截面形状任选设置为：圆形、三角形或多边形；各印刷线圈的两端分别由装置外壳限位而固定安装在所述孔洞的中心位置。

7、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述蜂窝式磁铁固定安装于装置外壳内部；所述弹性复位结构包括：线圈滑轨，其设置在印刷线圈外，用于限制所述印刷线圈仅沿孔洞的轴线方向往复振动移位；线性弹簧，其分别设置在各印刷线圈的轴线方向的两端，用于驱使印刷线圈恢复至孔洞的中心位置。

8、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述线性弹簧对称设置于蜂窝式磁铁的前后两侧端面，连接柔性薄膜与蜂窝式磁铁，所述印刷线圈由线性弹簧限位从而悬浮于装置外壳中。

9、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述线圈滑轨包括：支撑圆环，用于固定印刷线圈的柔性薄膜，其包覆于印刷线圈的外周；导向槽，其平行于所述支撑圆环的轴线方向设置在支撑圆环的外壁表面；滑轨本体，其端部设有支架，所述支架与蜂窝式磁铁或装置外壳固定连接，所述滑轨本体由支架固定设置在蜂窝式磁铁的孔洞中，固定在印刷线圈外周与孔洞内壁之间，所述导向槽贴合于滑轨本体的外周面以限制支撑圆环及其内部所固定的印刷线圈仅沿导向槽往复振动。

10、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述导向槽包括对称设置于支撑圆环外壁的至少两条，滑轨本体的数量以及设置角度配合于所述导向槽，滑轨本体的数量以及设置角度与导向槽的数量以及设置角度一致。

11、可选的，如上任一所述的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其中，所述线性弹簧的刚度根据线圈滑轨阻尼大小以及装置外壳安装位置的固有振动频率共同确定。

12、有益效果

13、本技术所提供的基于蜂窝式磁铁的电磁式振动能量收集装置阵列，其基于蜂窝式磁铁的孔洞组装线圈，形成一体式收集器阵列，蜂窝式磁铁中各空洞之间的距离固定，各孔洞内部磁通分布不会受振动周期影响而发生变化，能够有效的保证电能输出的稳定。本技术只需通过弹性复位结构将蜂窝式磁铁、印刷线圈恢复至初始位置，就能够保证阵列装置在工作完成后整个系统内各电磁单元之间相对位置不发生变化，能够有效简化装置各单元的复位过程，并同时避免装置中各电磁单元之间相位对冲影响传感效率。

14、具体而言，本文所设计的电磁式振动能量收集器阵列是一体式阵列。以往的组合式振动能量收集器阵列是由几个单独的振动能量收集器通过组合而成的，这种阵列在组合的过程中会考虑到每一个装置的应用特性，在排列组合过程中受到装置之间的距离和体积等因素限制，可排列组合种类较少。而本技术所采用的一体式阵列与组合式阵列相比，能够在具体制作线圈贯穿孔洞之前就通过仿真技术设计优化磁铁上每个孔洞的位置和大小，依托每个孔洞设计的能量收集装置不需要再次调整之间的距离。

15、其次，本技术所提供的一体式收集器阵列电能输出更稳定。传统的振动能量收集阵列为了保证装置的稳定性和使用寿命，需要保证每次使用之后，通过额外结构限制装置的内部各部件之间的距离在可控的范围内变动。尤其的，现有的组合式收集器阵列在每次实验完成后都需要检查单个能量收集装置彼此之间的位置距离，从而及时调整距离来保证装置输出电能的稳定，大大增加了装置的维护成本。而本技术所提供的一体式收集器阵列是基于蜂窝式磁铁的孔洞组装而成的，空洞之间的距离固定，不会发生变化，保证了阵列装置在工作完成后相对位置不发生变化，能够有效的保证电能输出的稳定。

16、此外，本技术的蜂窝式磁铁结构灵活多变，其能够根据不同需要，将蜂窝式磁铁设计成不同的形状，并灵活调整其中孔洞数量、形状和分布。由此，本技术的蜂窝式磁铁可根据实际安装部位的振动频率以及安装结构的设计要求而灵活调整系统的整体布局形状，通过多种多样的结构排列实现适应不同工况的电能有效供给。

17、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。