CN103560640B - 磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器 - Google Patents
磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器 Download PDFInfo
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Abstract
一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，由L形支架、磁路机构、换能机构、两条悬臂梁和竖直梁组成；L形支架与竖直梁连接，两条悬臂梁分别通过L形支架和竖直梁形成两个独立的振动结构；第一悬臂梁的振动端与磁路机构连接；第二悬臂梁的振动端与换能机构连接；所述磁路机构上成对设置有多块磁铁，每两块磁铁之间形成一条沿水平方向延伸的闭合磁路，多条闭合磁路沿竖直方向分布，当两条悬臂梁发生振动时，换能机构切割闭合磁路；两条悬臂梁的谐振频率不同。本发明的有益技术效果是：振动感应部采用相互独立的两条悬臂梁，使装置对外部振动的敏感性得到提高；同时，双悬臂梁可使装置的振动模式呈非线性，使得装置的工作带宽得到延展。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统用换能装置，尤其涉及一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器。
背景技术
微机电系统由于其功耗低、体积小、功能强、可批量生产的特点正在飞速发展，但是与器件体积的微型化问题相比，供电问题成为制约其发展的瓶颈。目前给微机电系统供电的主要手段是电池和供电线，电池存在寿命短、存储容量有限、环境危害大等问题；供电线存在固件成本较高、更换难度较大以及环境适应性较低等问题。
由于环境中振动能量无处不在且大都处于低频（100Hz以内），振动能量采集器成为可自我维持电源研究的一大热点，现有的振动能量采集器的工作方式主要有电磁式、静电式和压电式三种；静电式振动能量采集器若不采用驻极体作电介质，在工作时需要外加电压驱动，且最重要的是电源管理电路较为复杂，有时采集到的能量还无法满足电源管理电路自身能耗的需求（典型的静电式振动能量采集器如中国发明专利：CN101941671A、CN102522915A、CN1547312A和美国专利US7112911B2）。压电式和电磁式振动能量采集器的优势是工作时不需要外加电源，但他们又存在各自的缺陷：电磁式能量采集器的输出特点是感应电流较大，但感应电压很小，难于驱动外围电路，虽然使用变压器或提高线圈圈数以及提高磁场强度等方式可以提高感应电压，但都会增大器件尺寸，不利于微型化（如中国专利：CN101515746A、CN102694452A、CN1652440A、CN101110545A等）；而压电式能量采集器的相对尺寸最小便于MEMS加工，输出特点是感应电压较大，但感应电流较小，驱动能力仍然不强，例如中国发明专利：CN102983781A、CN103023378A、美国专利US7345407B2、US7414351B2。综上无论使用哪种单一的振动能量采集方式都不能良好的满足当前无线传感产品和微机电系统的供能。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其结构为：所述磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器由L形支架、磁路机构、换能机构、两条悬臂梁和竖直梁组成；竖直梁与L形支架的水平段连接，且竖直梁与L形支架的竖直段位于水平段的同侧；第一悬臂梁的一端与竖直段连接，第一悬臂梁的另一端与磁路机构连接；第二悬臂梁的一端与竖直梁连接，第二悬臂梁的另一端与换能机构连接；
所述磁路机构上成对设置有多块磁铁，每两块磁铁之间形成一条沿水平方向延伸的闭合磁路，多条闭合磁路沿竖直方向分布，当第一悬臂梁和第二悬臂梁发生振动时，换能机构切割闭合磁路；两条悬臂梁的谐振频率不同。
本发明的工作原理是：将L形支架固定在外部激励装置上，当外部激励装置出现振动时，振动能量就会传递到磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器上，从而引起第一悬臂梁和第二悬臂梁发生弹性振动，在振动过程中，换能机构就能切割由磁路机构提供的闭合磁路，磁电/电磁复合式换能器就会产生电输出；另外，这种双悬臂梁的振动模式可以使装置的振动特性呈非线性化，现有理论已经证明，非线性振动对带宽具有拓宽作用，从而起到提高装置工作带宽的作用，且提高了装置对外部振动的敏感性。
优选地，所述磁路机构由支撑板、四个支耳和四块磁铁组成；支撑板一侧与第一悬臂梁连接，四个支耳设置于支撑板的另一侧上；所述四个支耳中，其中两个支耳的水平高度相同，另外两个支耳的水平高度相同；四块磁铁分别设置于四个支耳的内侧面上；水平高度相同的两个磁铁形成闭合磁路。
优选地，所述换能机构由线圈筒、层状复合换能器和橡胶块组成；层状复合换能器设置于线圈筒的内孔中，线圈筒内壁和层状复合换能器之间通过橡胶块固定。线圈筒和层状复合换能器均为现有技术中常见的电磁感应装置，本发明中将二者结合在一起，使二者可以复用同一套振动机构，提高装置的整合度，使结构利用率得到提升。
优选地，所述层状复合换能器由高磁导率材料层、压磁材料层以及压电材料层复合而成；压电材料层的上、下面分别粘结压磁材料层；压磁材料层外面再粘结高磁导率材料层。其原理是：由于磁场的变化导致磁电换能器中的压磁材料层发生相应形变，该形变传递到磁电换能器中的压电材料层，由于压电材料的压电效应产生电输出，最终实现机-磁-电的转换；由于高磁导率材料的汇聚磁场作用，这种采用高磁导率材料、压磁材料以及压电材料复合而成的磁电换能器具有比传统压磁/压电复合换能器更强的磁电转换性能。
为了进一步提高能量采集的效率，优选地，所述换能机构的数量为两个，两个换能机构沿竖直方向分布。
为了便于将装置固定于外部激励装置上，优选地，所述水平段上设置有连接螺栓孔。
为了便于调整磁路机构和换能机构之间的相对位置，本发明还作了如下改进：所述水平段上设置有导轨一，导轨一的延伸方向与水平段的轴向平行；竖直梁通过导轨一与L形支架滑动连接。
为了便于调节换能机构的高度，本发明还作了如下改进：所述竖直梁上设置有导轨二，导轨二的延伸方向与竖直段的轴向平行；第二悬臂梁通过导轨二与竖直梁滑动连接。
为了便于调节每两块磁铁之间的间隙，本发明还作了如下改进：所述支撑板上设置有多条导轨三，多条导轨三的数量和位置与支耳的数量和位置一一对应；导轨三的延伸方向与水平方向平行；支耳通过导轨三与支撑板滑动连接。
本发明的有益技术效果是：振动感应部采用相互独立的两条悬臂梁，使装置对外部振动的敏感性得到提高；同时，双悬臂梁可使装置的振动模式呈非线性，使得装置的工作带宽得到延展。
附图说明
图1、本发明的结构示意图一；
图2、本发明的结构示意图二；
图3、换能机构的剖面示意图；
图4、磁路机构的结构示意图；
图中各个标记所对应的部件分别为：L形支架1、水平段1-1、竖直段1-2、磁路机构2、支撑板2-1、支耳2-2、磁铁2-3、换能机构3、线圈筒3-1、层状复合换能器3-2、橡胶块3-3、悬臂梁4、竖直梁5、连接螺栓孔6、导轨一7、导轨二8、导轨三9。
具体实施方式
一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，所述磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器由L形支架1、磁路机构2、换能机构3、两条悬臂梁4和竖直梁5组成；竖直梁5与L形支架1的水平段1-1连接，且竖直梁5与L形支架1的竖直段1-2位于水平段1-1的同侧；第一悬臂梁4的一端与竖直段1-2连接，第一悬臂梁4的另一端与磁路机构2连接；第二悬臂梁4的一端与竖直梁5连接，第二悬臂梁4的另一端与换能机构3连接；
所述磁路机构2上成对设置有多块磁铁2-3，每两块磁铁2-3之间形成一条沿水平方向延伸的闭合磁路，多条闭合磁路沿竖直方向分布，当第一悬臂梁4和第二悬臂梁4发生振动时，换能机构3切割闭合磁路；两条悬臂梁4的谐振频率不同。
进一步地，所述磁路机构2由支撑板2-1、四个支耳2-2和四块磁铁2-3组成；支撑板2-1一侧与第一悬臂梁4连接，四个支耳2-2设置于支撑板2-1的另一侧上；所述四个支耳2-2中，其中两个支耳2-2的水平高度相同，另外两个支耳2-2的水平高度相同；四块磁铁2-3分别设置于四个支耳2-2的内侧面上；水平高度相同的两个磁铁2-3形成闭合磁路。
进一步地，所述换能机构3由线圈筒3-1、层状复合换能器3-2和橡胶块3-3组成；层状复合换能器3-2设置于线圈筒3-1的内孔中，线圈筒3-1内壁和层状复合换能器3-2之间通过橡胶块3-3固定。
进一步地，所述层状复合换能器3-2由高磁导率材料层、压磁材料层以及压电材料层复合而成；压电材料层的上、下面分别粘结压磁材料层；压磁材料层外面再粘结高磁导率材料层。
进一步地，所述换能机构3的数量为两个，两个换能机构3沿竖直方向分布。
进一步地，所述水平段1-1上设置有连接螺栓孔。
进一步地，所述水平段1-1上设置有导轨一，导轨一的延伸方向与水平段1-1的轴向平行；竖直梁5通过导轨一与L形支架1滑动连接。
进一步地，所述竖直梁5上设置有导轨二，导轨二的延伸方向与竖直段1-2的轴向平行；第二悬臂梁4通过导轨二与竖直梁5滑动连接。
进一步地，所述支撑板2-1上设置有多条导轨三，多条导轨三的数量和位置与支耳2-2的数量和位置一一对应；导轨三的延伸方向与水平方向平行；支耳2-2通过导轨三与支撑板2-1滑动连接。
Claims (8)
1.一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器由L形支架（1）、磁路机构（2）、换能机构（3）、两条悬臂梁（4）和竖直梁（5）组成；竖直梁（5）与L形支架（1）的水平段（1-1）连接，且竖直梁（5）与L形支架（1）的竖直段（1-2）位于水平段（1-1）的同侧；第一悬臂梁（4）的一端与竖直段（1-2）连接，第一悬臂梁（4）的另一端与磁路机构（2）连接；第二悬臂梁（4）的一端与竖直梁（5）连接，第二悬臂梁（4）的另一端与换能机构（3）连接；
所述磁路机构（2）上成对设置有多块磁铁（2-3），每两块磁铁（2-3）之间形成一条沿水平方向延伸的闭合磁路，多条闭合磁路沿竖直方向分布，当第一悬臂梁（4）和第二悬臂梁（4）发生振动时，换能机构（3）切割闭合磁路；两条悬臂梁（4）的谐振频率不同；
所述换能机构（3）由线圈筒（3-1）、层状复合换能器（3-2）和橡胶块（3-3）组成；层状复合换能器（3-2）设置于线圈筒（3-1）的内孔中，线圈筒（3-1）内壁和层状复合换能器（3-2）之间通过橡胶块（3-3）固定。
2.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述磁路机构（2）由支撑板（2-1）、四个支耳（2-2）和四块磁铁（2-3）组成；支撑板（2-1）一侧与第一悬臂梁（4）连接，四个支耳（2-2）设置于支撑板（2-1）的另一侧上；所述四个支耳（2-2）中，其中两个支耳（2-2）的水平高度相同，另外两个支耳（2-2）的水平高度相同；四块磁铁（2-3）分别设置于四个支耳（2-2）的内侧面上；水平高度相同的两个磁铁（2-3）形成闭合磁路。
3.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述层状复合换能器（3-2）由高磁导率材料层、压磁材料层以及压电材料层复合而成；压电材料层的上、下面分别粘结压磁材料层；压磁材料层外面再粘结高磁导率材料层。
4.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述换能机构（3）的数量为两个，两个换能机构（3）沿竖直方向分布。
5.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述水平段（1-1）上设置有连接螺栓孔。
6.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述水平段（1-1）上设置有导轨一，导轨一的延伸方向与水平段（1-1）的轴向平行；竖直梁（5）通过导轨一与L形支架（1）滑动连接。
7.根据权利要求1所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述竖直梁（5）上设置有导轨二，导轨二的延伸方向与竖直段（1-2）的轴向平行；第二悬臂梁（4）通过导轨二与竖直梁（5）滑动连接。
8.根据权利要求2所述的磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其特征在于：所述支撑板（2-1）上设置有多条导轨三，多条导轨三的数量和位置与支耳（2-2）的数量和位置一一对应；导轨三的延伸方向与水平方向平行；支耳（2-2）通过导轨三与支撑板（2-1）滑动连接。
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