CN113422490B - 一种宽频振动能量搜集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频振动能量搜集装置，属于能量搜集装置领域，宽频振动能量搜集装置包括质量块、发电元件、连续变刚度弹簧以及元件封装体，所述质量块相对于所述发电元件往复运动时发电，所述质量块与所述连续变刚度弹簧的一端相连，所述发电元件固定在所述元件封装体上，所述连续变刚度弹簧的另一端与所述元件封装体相连，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块相对于所述发电元件往复运动过程中产生电能。本公开的宽频振动能量搜集装置其利用了连续变刚度弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，在多种振动设备上均能够发生谐振，可为小型用电系统长时间提供稳定可用的电源，且能兼顾有多种发电方式，能量转化率高。

Description

一种宽频振动能量搜集装置

技术领域

本发明涉及能量搜集装置领域，尤其涉及一种宽频振动能量搜集装置。

背景技术

机械或机电设备(以下简称：设备)在运动过程中通常会产生振动，这些振动引起的位移可通过振动发电元件将机械能转化为电能。由于设备工作场景的限制这些设备发生振动的固有频率通常是固定的，这是由于设备的固有频率主要与它本身的质量及结构相关，然而这些质量及结构通常在特定的工作场景下是不会变化的，通常对于不同设备其固有频率随结构和等效质量的不同而不同。现有的振动发电元件的振子通常具有固定的谐振频率，故只有当设备的固有频率与振动发电元件的谐振频率一致时，振动发电元件才能产生谐振效应，从而提升振动发电元件的能量转化效率，然而实际使用时，设备的固有频率与振动发电元件的谐振频率很难进行匹配，这就导致振动发电元件发电量小或者发电量不稳定，很难收集这种电能为数据获取/传输单元提供电源。

随着信息化的发展，很多设备上都需要安装各类型数据获取/传输单元，安装数据获取/传输单元分布在设备的不同位置，对于具有振动特征的设备若要通过布线的方式为每个数据获取/传输单元供电，不仅需设置复杂线路，而且易出现线路损坏，而若采用电池供电的方式为每个数据获取/传输单元供电，就会受到电池固有寿命的约束及影响。然后现有压电振动发电元件往往又采用压电材料或静电发电的技术，由于压电材料或者静电发电元件的电气阻抗高，而用电设备阻抗低，因此不能达到随发电随使用的效果，它们需要较大的储能元件配合，才能为特定振动场合的数据获取/传输单元提供电源。

中国专利文献公开号CN103460592B一种压电发电装置，能够通过增大发电元件的位移来获得大的发电量。压电发电装置具备共振器，其在底座部件上经由弹簧单元支承有第一锤部件；第二锤部件；以及发电元件，其具有振动板，在该振动板的主面粘贴有压电元件，振动板的一端被固定于第一锤部件，在作为自由端的另一端安装有第二锤部件，该发电元件能够在上下方向弯曲振动。第一锤部件以与发电元件的弯曲振动面垂直的轴为中心以规定的振动频率摆动，该方案采用第二锤部件增加对发电元件的振动以提高发电能力。中国专利文献CN102342011B公开了一种振动发电器、振动发电装置、以及装载有该振动发电装置的电子设备与通信装置，包括：第一基板；第一电极，其配置于第一基板上；第二基板，其与第一基板分离开并对置地配置；以及第二电极，其配置于第二基板上，第一基板相对于第二基板可振动，且第一电极与第二电极的一方包含保持了电荷的膜，振动发电器还包括：第三电极，其配置于第一基板上，且包含保持了电荷的膜；以及第四电极，其配置于第二基板上，且包含保持了电荷的膜，其中按照在外力未对第一基板进行作用时，将第一基板保持在规定的位置，而在外力对第一基板进行作用而第一基板相对于第二基板进行了移动时，将第一基板返回至规定的位置的静电力发生作用的方式来配置第三电极与第四电极。其通过第一基板相对于第二基板相对振动导致相对位置改变而产生电荷。无论采用哪种方式进行发电，由于振子振动的某些固有频率特征其只有在发生共振的情形下才能实现短暂高频输出，这种短暂的高频输出很难形成稳定的供电电能，使得数据获取/传输单元很难利用这些电能。

上述利用压电材料的自发电装置，其技术核心是利用对压电元件的撞击进行，然而压电元件的等效电路是电容，然而电容作为一种无功元件所产生的电荷，瞬间电荷量巨大故也往往需要配合的储能电容器的体积十分大，而很难给数据获取/传输单元进行长时间稳定的供电。此外，振动发电元件若采用切割磁感线的方式进行供电，由于振子形成谐振效应的概率小其发电量极其有限。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种宽频振动能量搜集装置，其利用了连续变刚度弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，在多种振动设备上均能够发生谐振，可为小型用电系统长时间提供稳定可用的电源，且本申请公开的宽频振动能量搜集装置能兼顾有多种发电方式，能够最大限度收集振动过程产生能量，能量转化率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开的一种宽频振动能量搜集装置，包括质量块及发电元件，所述质量块相对于所述发电元件往复运动时发电，还包括连续变刚度弹簧以及元件封装体，所述质量块与所述连续变刚度弹簧的一端相连，所述发电元件固定在所述元件封装体上，所述连续变刚度弹簧的另一端与所述元件封装体相连，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块相对于所述发电元件往复运动过程中产生电能。

本发明进一步的技术方案在于，所述发电元件包括线圈，所述质量块配置为磁性材料件或者导磁材料件中的一种或多种，所述线圈位于所述含磁层的四周，所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块相对于所述线圈往复运动，使得所述线圈切割所述质量块产生的磁力线产生第一类电。

本发明进一步的技术方案在于，所述发电元件包括线圈，所述质量块上设置有含磁层，所述含磁层配置为磁性材料件或者导磁材料件中的一种或多种，所述线圈位于所述含磁层的四周，所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块带动所述含磁层相对于所述线圈往复运动，使得所述线圈切割所述含磁层的磁力线产生第一类电。

本发明进一步的技术方案在于，所述发电元件包括与所述质量块相对设置的压电元件，所述压电元件位于远离所述连续变刚度弹簧的所述质量块的一侧，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块撞击所述压电元件的表面使得所述压电元件发生形变产生第二类电。

本发明进一步的技术方案在于，所述发电元件包括第一电容极板，所述质量块上设置有第二电容极板，所述第二电容极板与所述第一电容极板相对设置构成电容，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述第二电容极板相对于所述第一电容极板之间距离不断变化使得所述电容产生第三类电。

本发明进一步的技术方案在于，所述第一电容极板配置为压电元件的第一压电极板，所述第一压电极板与所述第二电容极板构成电容。

本发明进一步的技术方案在于，所述第二电容极板与所述第一电容极板之间设置有绝缘层，所述绝缘层贴设在所述第二电容极板或所述第一电容极板的一表面上。

本发明进一步的技术方案在于，所述连续变刚度弹簧配置为连续变弹簧丝直径弹簧，从所述连续变弹簧丝直径弹簧的一端到所述连续变弹簧丝直径弹簧的另一端，所述连续变弹簧丝直径弹簧的直径逐渐增大或者逐渐减少；和/或

所述连续变刚度弹簧配置为连续变砸圈横截面弹簧，从所述连续变砸圈横截面弹簧的一端到所述连续变砸圈横截面弹簧的另一端，所述连续变砸圈横截面弹簧的各砸圈横截面逐渐增大或者逐渐减少；和/或

所述连续变刚度弹簧配置为连续变砸圈间距弹簧，从所述连续变砸圈间距弹簧的一端到所述连续变砸圈间距弹簧的另一端，所述连续变砸圈间距弹簧的各砸圈之间的间距逐渐增大或者逐渐减少。

本发明进一步的技术方案在于，所述连续变刚度弹簧配置为刚度连续变化串联弹簧，所述刚度连续变化串联弹簧由多个固有频率连续变化的弹簧串联而成。

本发明进一步的技术方案在于，还包括交直流转换电路，所述交直流转换电路的第一接口与线圈电连接，并对所述线圈产生的电进行转换，所述交直流转换电路的第二接口与压电元件的第一压电极板电连接，所述交直流转换电路的第三接口与压电元件的第二压电极板电连接，所述交直流转换电路的第四接口与第二电容极板电连接。

本发明进一步的技术方案在于，还包括储能装置，所述储能装置与所述交直流转换电路电连接，经过所述交直流转换电路转换后的电通过储能装置进行存储。

本发明进一步的技术方案在于，还包括第一固定块，所述连续变刚度弹簧的另一端固定在所述第一固定块上的槽体内，所述第一固定块固定在所述元件封装体的顶壁上。

本发明进一步的技术方案在于，还包括第二固定块，所述压电元件固定在所述第二固定块上，所述第二固定块固定在所述元件封装体的底部。

本发明进一步的技术方案在于，所述线圈固定在所述元件封装体的侧壁上。

本发明进一步的技术方案在于，所述第二电容极板由所述质量块的一表面通过磁控溅射法生成的导电薄膜。

本发明还公开的一种数据获取/传输单元，包括上述宽频振动能量搜集装置及控制电路板，所述宽频振动能量搜集装置与所述控制电路板电连接并为所述控制电路板供电，所述数据获取/传输单元置于所述元件封装体上。

本发明的有益效果为：

本发明提供的宽频振动能量搜集装置，其设置了连续变刚度弹簧，连续变刚度弹簧可配置为连续变砸圈横截面弹簧、连续变砸圈横截面弹簧以及连续变砸圈间距弹簧中的一种、两种或者多种的结合，这种连续变刚度弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，使得质量块不仅能够在多种不同固有振动频率设备上均能够发生谐振，而且克服现有技术中难以将振子的谐振频率与设备的固有频率匹配的问题，现有技术中的振子在某个预设谐振点附近振动时，往往只有某个特定的频率点能够发生谐振效应，若采用本申请的连续变刚度弹簧，则能够在同样的预设谐振范围内有多个频率点会发生谐振效应，这样就使得振子具有上述连续的宽谐振范围特性。由此可见，本发明提供的宽频振动能量搜集装置的振子谐振能力获得极大增强，从而能够获得高效的机械能到电能的转换效率，从而为数据获取/传输单元提供稳定可用的电源。

另外，本发明提供的宽频振动能量搜集装置能够通过质量块带动含磁层或者含磁质量块本身相对于线圈往复运动，使得线圈切割含磁层或者含磁质量块的磁力线产生第一类电，质量块撞击压电元件的表面使得压电元件发生形变产生第二类电，固定在质量块上的第二电容极板相对于第一电容极板之间距离不断变化形成交变运动使得二者构成的电容产生第三类电。由此可见，本发明提供的宽频振动能量搜集装置兼顾有多种发电方式，能够最大限度收集振动过程产生能量，能量转化率高，能够长时间提供稳定可用的电源。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的宽频振动能量搜集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例三中提供的质量块的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中提供的连续变刚度弹簧未绕制的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的连续变刚度弹簧第一种的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中提供的连续变刚度弹簧第二种的结构示意图。

图中：

1、压电元件；2、质量块；3、连续变刚度弹簧；31、砸圈；4、元件封装体；8、第一固定块；81、槽体；9、第二固定块；5、含磁层；6、线圈；7、储能装置；10、交直流转换电路；11、第一压电极板；12、第二压电极板；20、第二电容极板；30、绝缘层；40、数据获取/传输单元。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2、发电元件以及连续变刚度弹簧3均位于元件封装体4内，元件封装体4既是基座，也能够保护前述构件。质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。连续变刚度弹簧3是指从连续变刚度弹簧3的一端到连续变刚度弹簧3的另一端，连续变刚度弹簧3的不同位置的刚度是逐渐变化，这种变化通常是连续的，刚度可以逐渐增大，也可以逐渐变小，即使是间断的，同样需要满足连续变刚度弹簧3的刚度是逐步变化的，也即连续的才能适配多种振动源。发电元件是指与质量块2相对运动后能够发电的元器件，例如：固定在元件封装体4上的线圈6，固定在第二固定块9上的压电元件1或者电容中的第一压电极板11，它们与质量块2相对运动后均能发电。其中，元件封装体4通常固定在振动源上，振动源通常是指处于振动状态的机械设备，例如：发动机、机床等。现有技术中的振子，也即本实施例中的质量块2在某个预设谐振点附近振动时，往往只有某个特定的频率点能够发生谐振效应，若采用本申请的连续变刚度弹簧3，则能够在同样的预设谐振范围内有多个频率点会发生谐振效应，这样就使得质量块2具有上述连续的宽谐振范围特性。这就使得质量块2相对于发电元件往复运动能够在一个较宽的区间内均发生谐振效应，无论其适配哪一种固有频率的机械设备，均能获取较高机械能到电能的转换效率，使得本实施例中提供的自发电装置为数据获取/传输单元40提供稳定可用的电源，若采用现有技术方案，由于其发电转化率较低，因为其很难长时间保持谐振状态，故在同样的体积下，其发电量极小而很难被利用。

实施例二

如图1所示，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置，包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。其中，发电元件包括线圈6，质量块2配置为磁性材料件或者导磁材料件中的一种或多种，线圈6位于含磁层5的四周，元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于线圈6往复运动，使得线圈6切割质量块2产生的磁力线产生第一类电，由于连续变刚度弹簧3产生的谐振效应，使得第一类电的发电量相较于现有技术中的往复运动有极大的提升，从而更好为数据获取/传输单元40稳定供电。优选地，线圈6固定在元件封装体4的侧壁上，由于质量块2位于元件封装体4内部的中间位置，故线圈6固定在元件封装体4的侧壁上时，十分便于线圈6切割质量块2的磁场。当具有磁性质量块2与线圈6发生相对运动时，例如：质量块2下落时，线圈6中就会产生电流，线圈6通过导线将其产生的第一类电输送至输送至交直流转换电路10进行整流后存储至储能装置7中。优选地，质量块2配置为钢磁铁，这类型磁铁本身具有一定的耐冲性。

实施例三

如图2所示，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置，包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。其中，发电元件包括线圈6，质量块2上设置有含磁层5，含磁层5配置为磁性材料件或者导磁材料件中的一种或多种，线圈6位于含磁层5的四周，元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2带动含磁层5相对于线圈6往复运动，使得线圈6切割含磁层5的磁力线产生第一类电，由于连续变刚度弹簧3产生的谐振效应，使得第一类电的发电量相较于现有技术中切割磁感线方式有极大的提升，从而更好为数据获取/传输单元40稳定供电。含磁层5配置为磁性材料件或者导磁材料件中的一种或多种，优选地，含磁层5可配置为与质量块2形状相适配的长板状含磁层，并贴设在质量块2的一侧，线圈6布局方式应使得线圈6中的导向尽可能多的切割长板状含磁层产生移动的磁力线。当含磁层5与线圈6发生相对运动时，线圈6中就会产生电流，线圈6通过导线将其产生的第一类电输送至交直流转换电路10进行整流后存储至储能装置7中。含磁层5也可以配置为质量块2一侧面设置的磁性材料层，利于可考虑在质量块2的上部增加磁粉或者类似带磁添加剂，使得质量块2的一部分带磁，从而充当含磁层5，这种方式使得质量块2与含磁层5连为一体。或含磁层5配置为与质量块2的形状相适配的磁性板，磁性板与质量块2固定连接，并构成组合型质量块2，这种方式相对比较常用，可将磁性板与质量块2利用粘接等方式固定一体。

实施例四

如图1所示，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置，包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。其中，发电元件包括与质量块2相对设置的压电元件1，压电元件1位于远离连续变刚度弹簧3的质量块2的一侧，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2撞击压电元件1的表面使得压电元件1发生形变产生第二类电。压电元件1的上下表面可设置电极进行取电，也即下文中的第一压电极板11及第二压电极板12，质量块2的材质可以是金属也可以是非金属，可以是磁性材料也可以是导磁体，优选地，质量块2具有一定的重量密度且能够耐受冲击，从而保证质量块2在撞击过程中不易发生磨损。当压电元件1被不断撞击后，压电元件1上下表面会产生电荷聚集效应，由于压电元件1通常与交直流转换电路10电连接，将第二类电导出，故压电元件1产生电会经过交直流转换电路10转化输出至储能装置7进行存储。由于连续变刚度弹簧3产生的谐振效应，压电元件1受到的撞击力也逐步增大使得第二类电的发电量相较于现有技术中的同样有较大提升，从而更好为提供数据获取/传输单元40稳定可用电源。

实施例五

如图1所示，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置，包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。其中，发电元件包括第一电容极板，质量块2上设置有第二电容极板20，第二电容极板20与第一电容极板相对设置构成电容，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，第二电容极板20相对于第一电容极板之间距离不断变化使得电容产生第三类电。当第二电容极板20与第一电容极板发生相对位移时，就会不断的充放电，此时某个极板上就会在充防电过程中周期性的聚集电荷，此时将通过导线将这些电荷导出，就能够进行发电，也即本实施例中提及的第三类电。优选地，第一电容极板配置为压电元件1的第一压电极板11，第一压电极板11与第二电容极板20构成电容。也就是说，压电元件1的一极板可以与上述电容中的一极板共用，这样不仅能够减少导线连接并降低电机材料生产成本，而且也能够利用第三类电与第二类电均具有瞬时性的特性，以达到共用整流电路或者储能装置7进行电能转化的目的，由于连续变刚度弹簧3产生的谐振效应，上述两极板之间的间距变化大使得第三类电的发电量相较于现有技术中的同样有较大提升，同样能为数据获取/传输单元40稳定可用电源。优选地，当第一电容极板配置为压电元件1的第一压电极板11时，第二电容极板20与第一电容极板之间设置有绝缘层30，绝缘层30贴设在第二电容极板20的一表面上或者绝缘层30贴设在第一电容极板的一表面上，由于第二电容极板20与第一电容极板之间需要发生碰撞，若不在第二电容极板20与第一电容极板之间设置绝缘层30，两个极板导通后就无法形成电势差，因此需要在两个极板之间设置绝缘层30。优选地，第二电容极板20由质量块2的一表面通过磁控溅射法生成的导电薄膜，这种加工方式使得质量块2的下表面上形成薄而均匀的导电层。

值得注意的是，上述实施例二及实施例三中的任一一个方案均可以与实施例四及实施例五中的一种或者多种技术方案进行结合，形成能够依据用电设备的需要产生两种电或者三种电的自发电装置。为了实施例中提供的宽频振动能量搜集装置增加单位体积发电效率，本申请不仅使得多种发电方式能够共用质量块2，而且采用了类似于“第一电容极板配置为压电元件1的第一压电极板11”这样结合方案以最少的构件达到产生多种电能的目的，本实施例中的宽频振动能量搜集装置兼顾有多种发电方式，能够最大限度收集振动过程产生能量，能量转化率高，能够长时间提供稳定可用的电源。

实施例六

本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。如图3、图4及图5所示，图3展示的弹簧丝未绕制成弹簧的形态，图4及图5则均展示了连续变弹簧丝直径弹簧的弹簧丝直径弹簧逐步的变化，连续变刚度弹簧3配置为连续变弹簧丝直径弹簧，从连续变弹簧丝直径弹簧的一端到连续变弹簧丝直径弹簧的另一端，连续变弹簧丝直径弹簧的直径逐渐增大或者逐渐减少。由于连续变弹簧丝直径弹簧的弹簧丝的直径逐渐变化，依据弹簧劲度系数的计算公式可知，簧丝的直径改变会改变弹簧的劲度系数，进而改变弹簧的固有频率，也就是说连续改变簧丝的直径会使得连续变刚度弹簧3不同位置的刚度也连续变化。这种连续变弹簧丝直径弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽因而质量块2能在多种振动不同固有频率设备上均能够发生谐振。

优选地，如图4所示，连续变刚度弹簧3配置为连续变砸圈横截面弹簧，从连续变砸圈横截面弹簧的一端到连续变砸圈横截面弹簧的另一端，连续变砸圈横截面弹簧的各砸圈31横截面逐渐增大或者逐渐减少。由于连续变砸圈横截面弹簧的横截面逐渐变化，也就是连续变刚度弹簧3的各砸圈内径和/或外径发生改变，导致连续变刚度弹簧3不同高度的横截面积发生变化，根据弹簧劲度系数的计算公式可知，横截面积改变会改变弹簧的劲度系数，进而改变弹簧的固有频率，也就是说连续改变横截面会使得连续变刚度弹簧3的不同位置刚度也连续变化。这种连续变砸圈横截面弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，进而质量块2能够在多种振动不同固有频率设备上均能够发生谐振。

优选地，如图5所示，连续变刚度弹簧3配置为连续变砸圈间距弹簧，从连续变砸圈间距弹簧的一端到连续变砸圈间距弹簧的另一端，连续变砸圈间距弹簧的各砸圈31之间的间距逐渐增大或者逐渐减少。由于连续变砸圈间距弹簧的各砸簧丝之间的间距逐渐变化，同理依据弹簧劲度系数的计算公式可知，各砸簧丝之间的间距改变会改变弹簧的劲度系数，进而改变弹簧的固有频率，也就是说连续改变各砸簧丝之间的间距会使得连续变刚度弹簧3的不同位置刚度也连续变化。这种连续变砸圈横截面弹簧具有连续的宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，使得质量块2能够在多种振动不同固有频率设备上均能够发生谐振。

值得注意的是，本申请提供的连续变刚度弹簧3可配置为连续变弹簧丝直径弹簧、连续变砸圈横截面弹簧以及连续变砸圈间距弹簧中的任一一种。也可以本申请提供的连续变刚度弹簧3配置为连续变弹簧丝直径弹簧、连续变砸圈横截面弹簧以及连续变砸圈间距弹簧中的任一两种的结合，例如：连续变弹簧丝直径弹簧与连续变砸圈横截面弹簧结合形成既变截面又变直径的弹簧等等。还可以本申请提供的连续变刚度弹簧3配置为连续变弹簧丝直径弹簧、连续变砸圈横截面弹簧以及连续变砸圈间距弹簧三种方案的结合，也即连续变刚度弹簧3的砸圈横截面、弹簧丝直径以及各砸圈之间的间距三个要素均发生变化，这种连续变刚度弹簧3能够极大的改善连续变刚度弹簧3的宽谐振范围特性，使得本实施例提供的连续变刚度弹簧3其谐振频率范围得到极好的展宽，从而从根本上解决现有技术中若采用小体积宽频振动能量搜集装置难以为数据获取/传输单元40持续稳定电源的技术难题。

实施例七

本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置包括质量块2、发电元件、连续变刚度弹簧3以及元件封装体4，质量块2相对于发电元件往复运动时发电，质量块2与连续变刚度弹簧3的一端相连，发电元件固定在元件封装体4上，连续变刚度弹簧3的另一端与元件封装体4相连，当元件封装体4在振动源的作用下振动时，质量块2相对于发电元件往复运动过程中产生电能。连续变刚度弹簧3配置为刚度连续变化串联弹簧，刚度连续变化串联弹簧由多个固有频率连续变化的弹簧串联而成，多个固有频率连续变化是指可以采用多个固有频率连续增大的弹簧或者多个固有频率连续减小的弹簧。上述连续变弹簧丝直径弹簧、连续变砸圈横截面弹簧以及连续变砸圈间距弹簧均是连续变化的，而本实施例中提供的刚度连续变化串联弹簧由于其采用不同刚度的弹簧串联组成，同样能够起到变刚度的效果，原则上串联的弹簧越多，其连续性就越好，实际中依据产品的需要进行合理设置一定数量的固有频率连续变化的弹簧亦可满足需求，由于每个弹簧具有不同的固有频率，同样能够使得连续变刚度弹簧3具有宽谐振范围特性，使得其谐振频率范围得到展宽，使得质量块2能够在多种振动不同固有频率设备上均能够发生谐振，从而提升自发电装置的发电量。

进一步的，上述实施例一至七中还可以包含如下特征，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置还包括交直流转换电路10，交直流转换电路10的第一接口与线圈6电连接，并对线圈6产生的电进行转换，交直流转换电路10的第二接口与压电元件1的第一压电极板11电连接，交直流转换电路10的第三接口与压电元件1的第二压电极板12电连接，交直流转换电路10的第四接口与第二电容极板20电连接，交直流转换电路10能够对线圈6切割含磁层5的磁力线产生第一类电，质量块2撞击压电元件1的表面使得压电元件1发生形变产生第二类电以及第二电容极板20相对于第一电容极板之间距离不断变化使得电容产生第三类电进行分别整流，经整流后的各种电既可以直接供给用电设备，也可以送入储能装置7进行存储。本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置还包括储能装置7，储能装置7与交直流转换电路10电连接，经过交直流转换电路10转换后的电通过储能装置7进行存储。本实施例中提供储能装置7优选具有充电及放电功能的储能电池，储能装置7与交直流转换电路10电连接，经过交直流转换电路10整流后的电通过储能装置7进行存储，以供数据获取/传输单元40利用，为数据获取/传输单元40进行长期稳定供电。

在进一步优选地技术方案中，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置还包括第一固定块8，连续变刚度弹簧3的另一端固定在第一固定块8上的槽体81内，第一固定块8固定在元件封装体4的顶壁上，第一固定块8实现了对连续变刚度弹簧3的另一端端部的固定，第一固定块8上可设置用于固定连续变刚度弹簧3的卡勾，从而更加方便对连续变刚度弹簧3的另一端端部进行卡接。在进一步优选地技术方案中，本实施例中提供的宽频振动能量搜集装置还包括第二固定块9，压电元件1固定在第二固定块9上，第二固定块9固定在元件封装体4的底部。优选地，第二固定块9与第一固定块8同轴设置，第二固定块9主要是配合压电元件1使用，其主要作用是对压电元件1进行垫高及固定，从而使得质量块2与压电元件1之间距离处于合理范围内。

实施例八

本实施例中提供的一种数据获取/传输单元40，包括上述的宽频振动能量搜集装置及控制电路板，宽频振动能量搜集装置与控制电路板电连接并为控制电路板供电，数据获取/传输单元40置于元件封装体4上，内部及外部均可，可以针对用电设备进行合理的选择。数据获取/传输单元可配置为传感器、逆变器、数据采集器、蓝牙、WiFi等无线模块中的一种或者多种。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种宽频振动能量搜集装置，包括质量块及发电元件，所述质量块相对于所述发电元件往复运动时发电，其特征在于，还包括：

连续变刚度弹簧，所述质量块与所述连续变刚度弹簧的一端相连；

元件封装体，所述发电元件固定在所述元件封装体上，所述连续变刚度弹簧的另一端与所述元件封装体相连，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块相对于所述发电元件往复运动过程中产生电能；

所述发电元件包括与所述质量块相对设置的压电元件；所述压电元件位于远离所述连续变刚度弹簧的所述质量块的一侧，且处于所述质量块的正下方，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块撞击所述压电元件的表面使得所述压电元件发生形变产生第二类电；

所述发电元件包括第一电容极板；

所述质量块上设置有第二电容极板；

所述第二电容极板与所述第一电容极板相对设置构成电容，当所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述第二电容极板相对于所述第一电容极板之间距离不断变化使得所述电容产生第三类电；

所述第一电容极板配置为压电元件的第一压电极板；

所述第一压电极板与所述第二电容极板构成电容。

2.根据权利要求1所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

所述发电元件包括线圈；

所述质量块上设置有含磁层，所述含磁层配置为磁性材料件；

所述线圈位于所述含磁层的四周，所述元件封装体在振动源的作用下振动时，所述质量块带动所述含磁层相对于所述线圈往复运动，使得所述线圈切割所述含磁层的磁力线产生第一类电。

3.根据权利要求1所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

所述第二电容极板与所述第一电容极板之间设置有绝缘层；

所述绝缘层贴设在所述第二电容极板或所述第一电容极板的一表面上。

4.根据权利要求1至2任一项所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

所述连续变刚度弹簧配置为连续变弹簧丝直径弹簧，从所述连续变弹簧丝直径弹簧的一端到所述连续变弹簧丝直径弹簧的另一端，所述连续变弹簧丝直径弹簧的直径逐渐增大或者逐渐减少；和/或

所述连续变刚度弹簧配置为连续变砸圈横截面弹簧，从所述连续变砸圈横截面弹簧的一端到所述连续变砸圈横截面弹簧的另一端，所述连续变砸圈横截面弹簧的各砸圈横截面逐渐增大或者逐渐减少；和/或

所述连续变刚度弹簧配置为连续变砸圈间距弹簧，从所述连续变砸圈间距弹簧的一端到所述连续变砸圈间距弹簧的另一端，所述连续变砸圈间距弹簧的各砸圈之间的间距逐渐增大或者逐渐减少。

5.根据权利要求1至2任一项所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

所述连续变刚度弹簧配置为刚度连续变化串联弹簧，所述刚度连续变化串联弹簧由多个固有频率连续变化的弹簧串联而成。

6.根据权利要求2所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

还包括交直流转换电路；

所述交直流转换电路的第一接口与线圈电连接，并对所述线圈产生的电进行转换，所述交直流转换电路的第二接口与压电元件的第一压电极板电连接，所述交直流转换电路的第三接口与压电元件的第二压电极板电连接，所述交直流转换电路的第四接口与第二电容极板电连接；其中所述第二压电极板位于所述第一压电极板的正下方。

7.根据权利要求6所述的宽频振动能量搜集装置，其特征在于：

还包括储能装置，所述储能装置与所述交直流转换电路电连接，经过所述交直流转换电路转换后的电通过储能装置进行存储。

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