一种基于半圆形偏心摆的人体低频振动能量采集器

本发明涉及微能量收集，尤其涉及一种基于半圆形偏心摆的人体低频振动能量采集器。

背景技术：

1、野外工作者经常要用到电子设备，例如智能手表，gps定位，各种健康传感器，这些设备都需要持续稳定的电能供应。但是电池容量有限，野外工作时充电困难，而且携带不便，污染环境。在野外环境依赖外部能源供应的可靠性和稳定性受到挑战。好在随着微电子技术的发展，电子设备的功率从mw降低到μw甚至更低，人们可以利用太阳能，风能，波浪能等可再生能源转化为电能给低功耗的电子设备供电。在各种能量收集技术中，利用人体自身产生的机械能并将其转换为可用电能而成为一种的解决方案。

2、传统的振动能量收集装置主要基于压电、电磁或静电式，通过各种俘能机制转化为电能。压电材料响应快速，但在低频振动环境中效率不高且材料成本较高。静电发电机的缺点是需要为结构中的可变电容器提供初始电压或电荷。然磁发电机在低频下能量转换效率较低。但是，提升俘能机制频率的研究很有潜力。

3、电磁式振动能量采集器工作带宽无法覆盖一些超低频率(<5hz)的激励。典型的超低频率激励包括海浪、人体运动等。同时，人体运动具有不规则性，例如步行、跑步、静坐等，产生的振动能量不是连续的，很多电磁式振动能量采集器缺少必要的接口电路。综上所述，未解决的问题还有如何进一步提高低频能量采集器的输出功率以及为采集器设计合适的接口电路。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于半圆形偏心摆的人体低频振动能量采集器，实现了通过人体运动驱动的磁力发电模块将人体随机振动产生的机械能转换电能并进行储存。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本技术提供了一种基于半圆形偏心摆的人体低频振动能量采集器，包括磁力发电模块、能量管理模块、电池储能模块、偏心摆模块，能量管理模块分别与磁力发电模块和电池储能模块连接，偏心摆模块与磁力发电模块活动连接，磁力发电模块包括能量采集器定子部件、能量采集器转子部件、线圈部件、磁体部件，线圈部件与能量管理模块连接，线圈部件固定安装在能量采集器定子部件内，磁体部件与能量采集器转子部件固定连接，能量采集器定子部件与能量采集器转子部件活动连接，偏心摆模块与能量采集器转子部件活动连接，当偏心摆模块撞击能量采集器转子部件时，能量采集器转子部件发生转动，从而线圈部件磁感应产生电能传输至能量管理模块，能量管理模块将磁感应电能进行电压转换，并对电池储能模块进行充电储能，能量管理模块设有用于给电子设备供电的用电接口。

4、进一步的，能量采集器定子部件的内部设置有镂空间隔件，镂空间隔件将能量采集器定子部件的内部空间分为两部分，能量采集器定子部件的内部一侧空间用于安装能量管理模块，能量采集器定子部件的内部另一侧空间用于安装能量采集器转子部件。

5、进一步的，线圈部件固定安装在能量采集器定子部件内的具体安装方式为：通过设置线圈支撑部件与能量采集器定子部件的镂空间隔件固定连接，将线圈部件固定安装在能量采集器定子部件内。

6、可选的，线圈部件的数量设置为4个，线圈支撑部件的数量设置为4个。

7、进一步的，能量管理模块设有用于给电子设备供电的用电接口，用电接口采用type-c接口用于直接连接到电子设备，从而为电子设备供电。

8、进一步的，能量采集器转子部件的内部设置有间隔件，间隔件将能量采集器转子部件的内部空间分为两部分，采集器转子部件的内部一侧空间用于安装磁体部件，采集器转子部件的内部另一侧空间用于安装偏心摆模块。

9、进一步的，能量采集器转子部件的内部一侧设置有与磁体部件相适配的凹槽，与磁体部件相适配的凹槽用于安装固定磁体部件。

10、进一步的，磁体部件的排布方式包括极性交替排布方式和极性同向排布方式。

11、进一步的，能量采集器转子部件的另一侧内部边缘设置有凸齿，凸齿的数量为1个及以上。

12、进一步的，能量采集器转子部件的中部设置有轴承件，能量采集器定子部件的中部设置有与中心轴件相适配的中心轴孔，通过轴承件和中心轴件实现将能量采集器定子部件与能量采集器转子部件转动活动连接。

13、进一步的，偏心摆模块包括偏心摆件和拔片件，偏心摆件与拔片件活动连接，偏心摆件的中部设置有与轴承件相适配的中空凹槽，通过与轴承件相适配的中空凹槽实现将偏心摆模块与采集器转子部件转动活动连接。

14、可选的，偏心摆件的形状为半圆形。

15、进一步的，偏心摆件的边缘设置有与拔片件相适配的凹槽，与拔片件相适配的凹槽用于嵌入安装拔片件。

16、进一步的，偏心摆模块还包括氧化铝陶瓷片件，偏心摆件设置有与氧化铝陶瓷片件相适配的凹槽，与氧化铝陶瓷片件相适配的凹槽用于安装氧化铝陶瓷片件。

17、可选的，氧化铝陶瓷片件的数量为3个。

18、进一步的，能量管理模块包括：能量采集芯片u1、电阻r1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电感l1、电感l2，能量采集芯片u1的27引脚端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端接地，电容c2的一端分别与能量采集芯片u1的3引脚端和能量采集芯片u1的10引脚端连接，电容c2的另一端与能量采集芯片u1的11引脚端连接，能量采集芯片u1的21引脚端分别与电容c3的一端和电池储能模块u2的正极端连接，电容c3的另一端和电池储能模块u2的负极端接地，电容c3的一端分别与能量采集芯片u1的26引脚端、能量采集芯片u1的19引脚端连接、能量采集芯片u1的18引脚端和能量采集芯片u1的17引脚端连接，电容c4的另一端接地，能量采集芯片u1的12引脚端与电感l1的一端连接，能量采集芯片u1的13引脚端分别与电感l1的另一端和电容c5的一端，电容c5的另一端接地，能量采集芯片u1的14引脚端与电感l1的一端连接，电感l2的另一端与能量采集芯片u1的15引脚端连接，能量采集芯片u1的8引脚端与线圈部件的一端连接，能量采集芯片u1的9引脚端与线圈部件的另一端连接。

19、进一步的，能量采集器在一个振荡周期内，能量管理模块的平均输出功率的计算表达式如下所示：

20、

21、其中，k是整数，pav代表采集器在一个振荡周期内的平均输出功率，p(t)代表输出功率，t0代表振荡周期的初始时刻，当人体佩戴采集器匀速跑步时，用τ表示采集器转子振荡的周期。

22、本技术的有益效果：实现了通过人体运动驱动的磁力发电模块将人体随机振动产生的机械能转换电能。嵌入磁铁的转子转动使得定子线圈切割磁感线产生感应电流，引入了能量管理模块实现了能量的管理和存储，并研究得到磁体排布方式对于振动能量收集的影响。

23、在本发明的设计中，提升能量转换效率非常关键，通过“偏心摆-拨片-转子”的传动结构将偏心摆的低频转动转化为转子的高频转动，这种设计结构保证了振动环境下的有效转动力，并增加能量转换效率。