CN101404468A - 一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，它包括：支撑机构、压磁/压电复合磁电换能器、永磁体磁路、弹性机构；其中，压磁/压电复合磁电换能器处于永磁体磁路的气隙磁场空间内；压磁/压电复合磁电换能器和永磁体磁路中的一者通过弹性机构与支撑机构弹性连接，并可随弹性机构作往复运动，另一者固定在支撑机构的底座上；即：或者压磁/压电复合磁电换能器固定在底座上，永磁体磁路通过弹性机构与支撑机构连接；或者永磁体磁路通过非导磁材料固定在底座上，压磁/压电复合磁电换能器通过弹性机构与支撑机构连接；本发明的有益技术效果是：提供了一种适用于微弱振动的、磁电转化效率较高的自供能装置。

Description

一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器

技术领域

本发明涉及一种能把机械振动能转换成电能并进行采集的技术，尤其涉及一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器。

背景技术

电子产品不断向微型化的方向发展，蓝牙技术和低功耗通讯标准(如Zigbee和IEEE802.15.4)的发展很大程度上推动了无线传感网络和通讯节点的研究，微机电系统由于具有能耗低、体积小、功能大、可批量生产等特点也正在迅速发展。但是，不管是无线传感产品还是微机电器件，供电问题正成为它们发展的一个很大障碍。原因是：目前给这些系统供电的手段主要依靠电池或电力线，电池、电力线供电有以下几个缺点：电池寿命短，存储能量有限，在某些应用中更换电池成本高，而在有些环境中无法使用有线方式供电。

由于能量采集器可以把环境中存在的能量转换成电能，从而成为一种可代替电池和可自我维持的新型电源，正受到越来越广泛的重视。太阳能、热能和振动能是环境中最普通的三种能源。由于环境中的振动能量无处不在，振动能量采集器成为可自我维持电源研究中的一大热点，它的工作方式主要有三种：电磁式、静电式和压电式。电磁式能量采集装置主要包括：永磁体、绕线组、运动腔体，其中绕线组缠绕在运动腔体外壁，永磁体在运动腔体内往复运动，与绕线组产生相对运动，通过切割磁力线在绕线组内产生感应电流，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN201068842Y、CN1652440A、CN1604436A、CN2617073Y、CN101185230A、CN101110545A、CN1603155A等，这类专利中，永磁体和腔体间通常安装了滑轨、轴承等运动传送装置，体积大，主要适用于强振动能量转换场合。静电式能量采集装置主要包括由悬臂梁和质量块组成的动极板、定极板、驻极体、处理电路组成，动极板在振动加速度作用下相对于定极板产生相对偏移，不同结构的装置可能产生可变电容极板遮盖面积变化，或引起电容极板间的距离发生变化，从而使极板上的极化电荷在两个电容极板间转移形成电流，经滤波和整流后输出，如中国发明专利CN1547312A、美国专利US7112911B2，这类静电式振动能量采集器若不采用驻极体作电介质，在开始工作时需要一个外界电压驱动。压电式能量采集装置主要包括：粘贴有压电片的悬臂梁，或者直接用压电片构成的悬臂梁，一个产生惯性力的质量块；通过质量块振动产生惯性力，作用到悬臂梁上产生交变应力，利用压电片的压电效应，产生电输出，如中国发明专利CN2834010Y、CN201054553Y、CN101017989A、美国专利US7345407B2、US7414351B2。

发明内容

本发明公开了一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，它包括：支撑机构、压磁/压电复合磁电换能器、永磁体磁路、弹性机构；其中，压磁/压电复合磁电换能器处于永磁体磁路的气隙磁场空间内；压磁/压电复合磁电换能器和永磁体磁路中的一者通过弹性机构与支撑机构弹性连接，并可随弹性机构作往复运动，另一者固定在支撑机构的底座上；即：或者压磁/压电复合磁电换能器固定在底座上，永磁体磁路通过弹性机构与支撑机构连接；或者永磁体磁路通过非导磁材料固定在底座上，压磁/压电复合磁电换能器通过弹性机构与支撑机构连接。弹性机构感受自供能装置外部环境振动，使磁电换能器与永磁体磁路在外部振动激励时产生相对运动，当永磁体磁路和磁电换能器产生相对运动时，磁电换能器感受永磁铁提供的变化磁场，该变化磁场诱发磁电换能器中的压磁相发生相应形变，该形变传递到换能器中的压电相，由于压电材料的压电效应产生电输出，从而实现机-磁-电转换。

所述的压磁/压电复合磁电换能器，包括：层合换能结构、筋板；振动自供能装置中的各个层合换能结构间相隔一定距离，并通过筋板连接；筋板的一端或者两端，与弹性机构或者底座连接。

所述的层合换能结构为压磁材料和压电材料交替叠放的多层结构；层合换能结构或者成块状，或者成环状；所述筋板或者成板状，或者成圆弧柱面，分别对应块状和环状的层合换能结构。

所述的弹性机构的两种典型结构，它们的结构及其与其它器件的对应关系如下：

1)所述的弹性机构为板状的弹性悬臂梁，支撑机构为“L”型，弹性悬臂梁一端固定在“L”型支撑机构的垂直支架上，弹性悬臂梁另一端与压磁/压电复合磁电换能器或永磁体磁路固定连接。

2)所述的弹性机构由弹簧与水平连接板连接构成；支撑机构为“匚”型；“匚”型支撑机构上下两侧内表面分别通过弹簧及连接板与压磁/压电复合磁电换能器或永磁体磁路上下两端弹性连接。

永磁体磁路也可以由多种结构构成，不同结构永磁体磁路对应的器件也不同：

所述永磁体磁路，或者由单边叉指状磁体构成；或者由相对称的两个叉指状磁体叉指相对放置构成；或者由柱状磁体和环状磁体相结合构成。

所述的柱状磁体由若干个圆形磁体通过相同形状的非导磁分隔层连接而成，所述的环状磁体由若干个环形磁体通过相同形状的非导磁分隔层连接而成；单边叉指状磁体结构的永磁体磁路和两个叉指状磁体结构的永磁体磁路对应块状层合换能结构，层合换能结构在单边或两个叉指状永磁体磁路的气隙磁场空间内往复运动；柱状磁体和环状磁体结构的永磁体磁路对应环状的层合换能结构，环状的层合换能结构在柱状磁体和环状磁体之间的空隙内沿轴向往复运动；两两相邻层合换能结构间间距与永磁体磁路上相邻的两个永磁体间间距相同。

本发明的有益技术效果是：提供了一种适用于微弱振动的、磁电转化效率较高的自供能装置。

附图说明

图1、采用“L”型支撑机构和弹性悬臂梁相搭配，压磁/压电复合磁电换能器固定在支撑机构底座上时的装置结构；

图2、采用“L”型支撑机构和弹性悬臂梁相搭配，永磁体磁路固定在支撑机构底座上时的装置结构；

图3、采用“L”型支撑机构和弹性悬臂梁相搭配，永磁体磁路采用单边叉指状磁体结构时的装置结构；

图4、采用“匚”型支撑机构，永磁体磁路与弹簧连接时的装置结构；

图5、采用“匚”型支撑机构，压磁/压电复合磁电换能器与弹簧连接时的装置结构；

图6、单个块状层合换能结构的结构示意图；

图7、单个环状层合换能结构的结构示意图；

图8、柱状磁体和环状磁体结构的永磁体磁路与环状层合换能结构构成的压磁/压电复合磁电换能器相搭配时的示意图；

附图中：支撑机构1、支架1-1、底座1-2、弹性机构2、弹性悬臂梁2-1、弹簧2-2、连接板2-3、压磁/压电复合磁电换能器3、层合换能结构3-1、筋板3-2、永磁体磁路4、柱状磁体4-1、环状磁体4-2、非导磁分隔层4-3、非导磁材料5。

具体实施方式

本发明的装置可分为两部分：支撑机构1和振动自供能装置。

压磁/压电复合磁电换能器3、永磁体磁路4和弹性机构2三者共同构成了振动自供能装置；其中压磁/压电复合磁电换能器3又由层合换能结构3-1和筋板3-2组成。

振动自供能装置受到外部振动激励时，弹性机构2在惯性力作用下产生振动，带动压磁/压电复合磁电换能器3或永磁体磁路4运动，使得永磁体磁路4的磁场和压磁/压电复合磁电换能器3之间产生相对运动，造成施加到压磁/压电复合磁电换能器3的磁场也发生变化，在压磁/压电复合磁电换能器3上产生电输出。

前述的压磁/压电复合磁电换能器3中的层合换能结构3-1由压磁/压电块体材料复合构成，层合换能结构3-1横切面的形状可以是块状，也可以是环状，块状的层合换能结构3-1，对应板状筋板3-2和叉指状的永磁体磁路4；环状的层合换能结构3-1，对应圆弧柱面筋板3-2和柱状磁体4-1、环状磁体4-2结构的永磁体磁路4。其中，层合换能结构3-1为压磁材料和压电材料交替叠放的多层结构；附图中给出的三层结构的层合换能结构3-1是本发明的一个具体的实施例；压磁/压电复合磁电换能器3的压磁相随着所感受磁场的变化而发生形变，该形变传递到层合换能结构3-1中的压电材料中，压电相也发生相应形变，并由于压电效应产生电输出。压磁/压电复合材料主要有两种结构：一是颗粒混合结构，一是块体层合结构，由于块体层合结构的磁电效应大于颗粒混合结构，且块体层合结构在结构和制备方法上都比较简单，故本发明选择压磁/压电层叠复合结构来制作层合换能结构3-1。

层合换能结构3-1的形状和结构参见附图6、7。

当然，为了使压磁/压电复合磁电换能器3转换效率较高，永磁体磁路4提供的磁场应该满足压磁/压电复合磁电换能器3的磁场工作点和动态范围要求。

综上所述，本发明通过弹性机构感受振动自供能装置外部振动，并通过弹性机构使压磁/压电复合磁电换能器3与永磁体磁路4在受到外部振动激励时产生相对运动，相对运动过程中，永磁体磁路4施加到压磁/压电复合磁电换能器3的磁场发生变化，变化磁场诱发压磁/压电复合磁电换能器3中的压磁相发生形变，该形变传递到层合换能结构3-1中的压电相，由于压电材料的压电效应产生电输出，从而实现“机械能-磁能-电能”的转换。

实施例1：

参见附图1，如图所示，本例中采用的器件包括：“L”型支撑机构1、板状的弹性悬臂梁2-1、块状层合换能结构3-1和板状筋板3-2组成的压磁/压电复合磁电换能器3、相对称的两个叉指状永磁体磁路4，其叉指相对放置，两个叉指状永磁体磁路4的上端固定在弹性悬臂梁2-1下侧的一端，弹性悬臂梁2-1的另一端固定在“L”型支撑机构1的支架1-1上，压磁/压电复合磁电换能器3通过筋板3-2连接并通过筋板3-2固定在“L”型支撑机构1底座1-2上，并且压磁/压电复合磁电换能器3放置在两个叉指状永磁体磁路4之间的气隙磁场空间中。

永磁体磁路4的叉指间有一定空隙，空隙在z轴方向的大小与叉指尺寸，以及永磁体磁路4在y轴方向的气隙长度有关，层合换能结构3-1与永磁体磁路4存在相对运动时能获得到较大的磁感应强度变化量。

上述永磁体磁路4和弹性悬臂梁2-1连接在一起，成为一个整体。这样，弹性悬臂梁2-1在外部振动激励下运动时，会带动永磁体磁路4一起沿z轴往复运动。

层合换能结构3-1的上下两层均为压磁材料，中间层为压电材料，压磁材料层的极化方向为y方向。设计时，各个层合换能结构3-1间的间距与叉指状永磁体磁路4中各个叉指间的间距一致，当永磁体磁路4与层合换能结构3-1沿z轴相对运动时，使层合换能结构3-1中的压磁层处于永磁体磁路4中各层磁铁的磁极面所对应气隙空间时，压磁层感受的磁感应强度强，压磁层沿y轴方向的伸缩量大，但压磁层偏移磁铁磁极面所对应的气隙空间时，磁感应强度变弱，伸缩量减小，这样，当弹性悬臂梁2-1带动永磁体磁路4与层合换能结构3-1产生往复相对运动时，层合换能结构3-1中的压磁层由于感受y轴方向强弱交替变化的磁场，将沿极化方向y轴产生伸缩变形，该形变通过粘接层传递到压电层，压电层由于压电效应而产生电场，从而实现磁电转换。

上述层合换能结构3-1由于极化方向和主要形变方向为y轴，因此，固定层合换能结构3-1的筋板3-2沿x轴方向设置，即布置在层合结构沿y方向振动的波节面上，这样对层合结构沿y方向的形变影响较小，且筋板3-2是非导磁材料加工而成。

实例2：

参见附图2，它与实施例1不同之处在于：引入非导磁材料5用于两个叉指状永磁体磁路4下端与底座1-2的连接；与弹性悬臂梁2-1固定连接的是压磁/压电复合磁电换能器3，压磁/压电复合磁电换能器3的筋板3-2上端固定在弹性悬臂梁2-1下侧的一边。

当弹性悬臂梁2-1带动层合换能结构3-1与永磁体磁路4产生往复相对运动时，层合换能结构3-1中的压磁层由于进入不同磁感应强度区域，沿极化方向y轴产生伸缩变形，此机械运动通过粘接层传递到压电层，压电层由于压电效应而产生电场，从而实现磁电转换。

实施例3：

参见附图3，本例结构与实施例1不同之处在于：将两个叉指状永磁体磁路4换成了单边叉指状永磁体磁路4；当受到外部振动激励时，弹性悬臂梁2-1带动单边叉指状永磁体磁路4作往复运动，机磁电转换原理与实施例1相同。

实施例4：

参见附图4，本例中采用的器件包括：“匚”型支撑机构1、弹簧2-2、连接板2-3、块状层合换能结构3-1和板状筋板3-2组成的压磁/压电复合磁电换能器3，相对称的两个叉指状永磁体磁路4，其叉指相对放置；压磁/压电复合磁电换能器3通过筋板3-2固定在“匚”型支撑机构1底座1-2上，两个叉指状永磁体磁路4的上端分别连接在连接板2-3的两边，连接板2-3的上端通过弹簧2-2与“匚”型支撑机构1顶部弹性连接，两个叉指状永磁体磁路4的下端通过弹簧2-2与“匚”型支撑机构1的底座1-2弹性连接。

本实施例与实施例1的区别就在于弹性机构2与支撑机构1的不同。其原理和工作过程与实施例1相同。

根据不同的应用场合，弹性机构2可以选择其它的弹性结构，并不局限于弹簧和悬臂梁，支撑机构1也可以有其它形状，并不局限于“匚”型和“L”型。

实施例5：

参见附图5，本实施例与实施例4的不同在于两个叉指状永磁体磁路4通过非导磁材料5固定在支撑机构1的底座1-2上，而压磁/压电复合磁电换能器3的筋板3-2的上下两端分别通过连接板2-3及弹簧2-2与“匚”型支撑机构1顶部及底座1-2弹性连接；由弹性机构2带动压磁/压电复合磁电换能器3沿z轴往复运动。

实施例6：本实施例采用了不同形状的磁体构成磁路，及不同形状和极化方向的压磁和压电层构成层合换能结构。

附图8是柱状磁体4-1、环状磁体4-2、非导磁分隔层4-3、环状层合换能结构3-1、筋板3-2沿中轴面剖开后的剖面图。

本实施例中的永磁体磁路4是由一系列的环状磁体4-2和居于环状磁体中心的柱状磁体4-1组成，其中，环状磁体4-2的磁极面分别在内圈和外圈表面。柱状磁体4-1的磁极在中心部分和外圈，并且柱状磁体4-1外圈磁极面和环状磁体4-2相对，磁极相异，且通过非导磁分隔层4-3使环状磁体4-2和柱状磁体4-1保持相对静止。环状层合换能结构3-1及筋板3-2置于环状磁体4-2和柱状磁体4-1之间，层合换能结构3-1中单个换能器间的间距与永磁体磁路4中各单个环状磁体4-2及柱状磁体4-1的间距一致。

本实施例中压磁层的极化方向和主振方向均是沿径向，因此，固定筋板3-2在层合换能结构3-1波节面上是一个圆弧柱面。

本实施例中，可将环状磁体4-2和柱状磁体4-1与弹性结构2连接在一起，而环状层合换能结构3-1通过筋板3-2固定在支撑机构1的底座1-2上，当由环状磁体4-2和柱状磁体4-1组成的永磁体磁路4在外部惯性力激励下与层合换能结构3-1产生相对运动时，层合换能结构3-1中的压磁层由于进入不同磁感应强度的区域，沿径向产生伸缩变形，此形变通过粘接层传递到压电层，压电层由于压电效应而产生电场，从而实现机-磁-电转换。同样，本实施例也可将环状层合换能结构3-1通过筋板3-2与弹性机构2连接在一起，而将环状磁体4-2和柱状磁体4-1通过非导磁材料5固定在支撑机构1的底座1-2上实现振动能到电能的转换。

Claims (6)

1、一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：它包括：支撑机构(1)、压磁/压电复合磁电换能器(3)、永磁体磁路(4)、弹性机构(2)；其中，压磁/压电复合磁电换能器(3)处于永磁体磁路(4)的气隙磁场空间内；压磁/压电复合磁电换能器(3)和永磁体磁路(4)中的一者通过弹性机构(2)与支撑机构(1)连接，并可随弹性机构(2)作往复运动，另一者固定在支撑机构(1)的底座(1-2)上，即：或者压磁/压电复合磁电换能器(3)固定在底座(1-2)上，永磁体磁路(4)通过弹性机构(2)与支撑机构(1)连接；或者永磁体磁路(4)通过非导磁材料(5)固定在底座(1-2)上，压磁/压电复合磁电换能器(3)通过弹性机构(2)与支撑机构(1)连接。

2、根据权利要求1所述的一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：所述的压磁/压电复合磁电换能器(3)，包括：层合换能结构(3-1)、筋板(3-2)；各个层合换能结构(3-1)间相隔一定距离，并通过筋板(3-2)连接；筋板(3-2)的一端或者两端，与弹性机构(2)或者底座(1-2)连接。

3、根据权利要求2所述的一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：所述的层合换能结构(3-1)为压磁材料和压电材料交替叠放的多层结构；层合换能结构(3-1)或者成块状，或者成环状；所述筋板(3-2)或者成板状，或者成圆弧柱面，分别对应块状和环状的层合换能结构(3-1)。

4、根据权利要求1所述的一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：所述的弹性机构(2)为板状的弹性悬臂梁(2-1)，所述的支撑机构(1)为“L”型，弹性悬臂梁(2-1)一端固定在“L”型支撑机构(1)的垂直支架(1-1)上，弹性悬臂梁(2-1)另一端与压磁/压电复合磁电换能器(3)或永磁体磁路(4)固定连接。

5、根据权利要求1所述的一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：所述的弹性机构(2)由弹簧(2-2)与水平连接板(2-3)连接构成；所述的支撑机构(1)为“匚”型；“匚”型支撑机构(1)上下两侧内表面分别通过弹簧(2-2)及连接板(2-3)与压磁/压电复合磁电换能器(3)或永磁体磁路(4)上下两端弹性连接。

6、根据权利要求2或5所述的一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，其特征在于：所述永磁体磁路(4)，或者由单边叉指状磁体构成；或者由相对称的两个叉指状磁体叉指相对放置构成；或者由柱状磁体(4-1)和环状磁体(4-2)相结合构成，所述的柱状磁体(4-1)由若干个圆形磁体通过相同形状的非导磁分隔层(4-3)连接而成，所述的环状磁体(4-2)由若干个环形磁体通过相同形状的非导磁分隔层(4-3)连接而成；单边叉指状磁体结构的永磁体磁路(4)和两个叉指状磁体结构的永磁体磁路(4)对应块状层合换能结构(3-1)，层合换能结构(3-1)在单边或两个叉指状永磁体磁路(4)的气隙磁场空间内往复运动；柱状磁体(4-1)和环状磁体(4-2)结构的永磁体磁路(4)对应环状的层合换能结构(3-1)，环状的层合换能结构(3-1)在柱状磁体(4-1)和环状磁体(4-2)之间的空隙内沿轴向往复运动；两两相邻层合换能结构(3-1)间间距与永磁体磁路(4)上相邻的两个永磁体间间距相同。

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