CN103023377B - 压电及电磁混合变频微发电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电及电磁混合变频微发电装置及方法，主要用于振动环境的能量收集。它由压电振子、永磁体、线圈、支撑板、固定滑块、侧梁、活动滑块构成，通过装置上的压电振子振动来实现压电能量收集，通过改变通过线圈的磁通量实现电磁能量收集。该装置通过滑块在侧梁上的移动，改变系统的跨距，达到大范围、高精度调节装置谐振频率的目的，使该发电装置在较大频率范围内适合于不同的工作环境。本压电及电磁混合变频微发电装置可与运动敏感应用的传感器相结合，提供自供电的监测能力。
Description
技术领域
本发明涉及环境中振动能量采集的小型化设备及方法应用，尤其适用于工作频率变化较大的环境能量收集，适合于与传感器应用的集成。
背景技术
传感器网络技术作为一种新兴的监测技术，在生产生活中具有广泛的应用。对于传感器网络，尤其是无线传感网络，能量供应对其影响很大，一般采用电池供电。然而工程中无线传感器网络节点常常由于监测位置原因，电池的更换有时非常困难，而电池的使用寿命有限。因此，为了实现整个传感器网络的长期有效的工作，延长无线传感器网络应用寿命和降低成本，为无线传感器网络提供足够的、长期的能量是首先需要面对的。有效的方法是收集传感器网络周围环境中的能量，并加以储存为无线传感器网络提供能量。
无线传感器网络的使用场合中存在许多形式的机械振动能，利用压电材料作为“能量采集”的功能元件，可以将环境中的机械振动能转换为电能，实现振动能量采收，来替代传统供能方式，为无线传感器网络的工作提供能源。电磁感应是通过磁场和其中导体的相对运动来产生电流。利用电磁感应进行振动能量回收的基本思想是：用永磁体、一个线圈以及一个谐振的悬臂梁产生电磁感应，将感应到的电能用适当的电路提取。
压电能量收集一般采用压电振子结构，当外在激振频率等于压电振子的固有频率时，即处于谐振状态时，压电材料产生最大变形，发电效果最佳，输出电压或电荷量最大。然而在实际应用环境中，环境振动，如机械设备振动往往是变化的，即外在工作频率是随着时间是变动的，存在压电振子固有频率与外在激振频率处于非谐振问题。压电材料对于频率的变化非常敏感，即使外界频率与压电振子固有频率相差较小，其变形将迅速减小，发电能力迅速降低。普通的压电能量收集装置由于结构的原因，其频率变化范围较小，难以适应外界环境变化。
由于微发电技术产生的电量较小，若在有限的小空间内采用混合的能量收集装置，能够有效地增大装置的发电能力。因此，需要设计一种谐振频率可调的压电及电磁混合微发电装置，该装置具有较大的能量输出能力，较大的频率调节范围，能够适应不同的工作环境，在不同的工作条件下均能谐振，实现能量收集的最大化。该装置可与后续的传感器集成，经过处理的电能为传感器节点提供能源，实现传感器节点的自发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电及电磁混合变频微发电装置，将环境中的机械振动能转换为电能，实现振动能量采收，来替代传统供能方式，为无线传感器网络的工作提供能源。
本发明的压电及电磁混合变频微发电装置由压电振子、永磁体、线圈、支撑板、固定滑块、侧梁、活动滑块构成。本装置通过支撑板与外部机构固定在一起，实现共同振动。侧梁的作用是承载滑块的滑动。滑块与两压电振子一端连接，作用是使压电振子能够随滑块移动。两压电振子的另一端与永磁体连接。线圈固定在支撑板上。
所述压电振子由压电层与中性层组成。中性层采用可导电的金属薄板，如青铜薄板；压电层为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅或复合压电材料PVDF薄膜，分布在金属薄板上下端面，可以为一层或多层。压电层与压电层之间、压电层与金属薄板之间通过导电胶粘接。
所述永磁体的材料为铁铷硼；所述线圈材料为漆包铜线。所述活动滑块、固定滑块、支撑板、侧梁的材料可以采用硬质塑料、铝或者不锈钢，根据工作环境频率高低来选定。
有益效果：工作环境的振动带动微发电装置的振动，压电振子在应力作用下产生电荷，实现机械能与电能的转换；永磁体的振动，使得其相对于线圈的距离不断变化，通过线圈的磁通量改变，产生感应电荷。压电及电磁微发电装置产生的电荷经后续电路处理，可为传感器节点供电。活动滑块在侧梁上的滑动，能够改变两压电振子跨距，从而改变系统刚度。跨距的精确调节保证了固有频率能够在较大范围内变化，实现变频率工作条件下发电能力的最优化。
附图说明
图1：压电及电磁混合变频微发电装置视图
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明作进一步详述。
本发明的压电及电磁混合变频微发电装置由压电振子（1、6）、永磁体（3）、线圈（4）、支撑板（2、5）、固定滑块（7）、侧梁（8）、活动滑块（9）构成。支撑板（5）与外部机构连接固定在一起，实现共同振动。侧梁（8）一端与支撑板（5）连接，一端与支撑板（10）连接，侧梁（8）上装有固定滑块（7）和活动滑块（9），活动滑块（9）可在侧梁（8）上自由滑动。压电振子(1)一端与活动滑块（9）连接，一端与永磁体（3）连接；压电振子(6)一端与固定滑块（7）连接，一端与永磁体（3）连接。线圈（2）与支撑板（10）右下端连接在一起，在永磁体（3）正上方且不接触；线圈（4）与支撑板（5）右上端连接在一起，在永磁体（3）正下方且不接触。
压电振子（1）与（6）为完全相同的结构，中间层为导电金属薄板，上下压电片通过导电胶与中间层粘接。中间层金属薄板采用铍青铜材质进行加工，压电层的压电片采用PZT-5H或其他压电材料。两个压电片需纵向极化，且极化方向相反，上下压电片分别引出导线电极。为提升发电能力，可以在压电振子（1,6）的中间层上下分别粘贴多层压电片，振动时多层压电片变形，产生电荷量增加，发电能力增大。
线圈（2,4）为漆包线缠绕成空心圆柱状若干匝。
活动滑块（9）、固定滑块（7）、支撑板（5,10）、侧梁（8）的材料采用硬质塑料、铝或者不锈钢，根据工作环境频率高低来选定。一般采用的材料材质较软、质量较轻时，装置固有频率会降低。
压电及电磁混合变频微发电装置发电工作过程：发电装置工作时，活动滑块（9）固定在侧梁（8）某个位置。工作环境的振动使整个装置伴随振动，由于永磁体（3）的运动，压电片会产生拉压形变，压电层聚集电荷，产生电势。任意时刻上下两压电振子（8,12）拉压形变方向相反，为差动式微发电结构。同时微发电装置的永磁体（3）的振动，使得其相对于线圈（2,4）的距离不断变化，通过线圈的磁通量改变，线圈产生感应电势。
压电及电磁混合变频微发电装置变频调节方式：活动滑块（9）在侧梁（8）上移动一定位移，即改变两压电振子（1,6）的跨距，此种方法能够改变系统刚度，从而精确改变装置谐振频率，使微发电装置的谐振频率与工作环境的频率一致，系统谐振。
Claims (3)
1.压电及电磁混合变频微发电装置，其特征在于：它由上压电振子（1）、上线圈（2）、永磁体（3）、下线圈（4）、下支撑板（5）、下压电振子（6）、固定滑块（7）、侧梁（8）、活动滑块（9）、上支撑板（10）构成，下支撑板（5）与外部机构连接固定在一起，实现共同振动，侧梁（8）下端与下支撑板（5）连接，上端与上支撑板（10）连接，侧梁（8）上装有固定滑块（7）和活动滑块（9），活动滑块（9）可在侧梁（8）上自由滑动，上压电振子（1）左端与活动滑块（9）连接，右端与永磁体（3）连接；下压电振子（6）左端与固定滑块（7）连接，右端与永磁体（3）连接，
上线圈（2）与上支撑板（10）右下端连接在一起，在永磁体（3）正上方且不接触；下线圈（4）与下支撑板（5）右上端连接在一起，在永磁体（3）正下方且不接触。
2.根据权利要求1所述的压电及电磁混合变频微发电装置的发电方法，其特征在于：压电及电磁混合变频微发电装置发电工作过程：发电装置工作时，活动滑块（9）固定在侧梁（8）某个位置，工作环境的振动使整个装置伴随振动，由于永磁体（3）的运动，上压电振子（1）和下压电振子（6）上下两面上的压电片会产生拉压形变，压电层聚集电荷，产生电势，任意时刻上压电振子（1）和下压电振子（6）的拉压形变方向相反，为差动式微发电结构，同时微发电装置的永磁体（3）的振动，使得其相对于上线圈（2）和下线圈（4）的距离不断变化，通过线圈的磁通量改变，线圈产生感应电势。
3.根据权利要求1所述的压电及电磁混合变频微发电装置的变频方法，其特征在于：压电及电磁混合变频微发电装置变频调节方式：活动滑块（9）在侧梁（8）上移动一定位移，即改变上压电振子（1）和下压电振子（6）之间的跨距，此种方法能够改变系统刚度，从而精确改变装置谐振频率，使微发电装置的谐振频率与工作环境的频率一致，系统谐振。
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