CN103701363B - 一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，包括圆筒状外壳、挡环、环状永磁体、圆柱状金属质量块、线圈和至少两个万向角节型压电换能器，所述环状永磁体置于圆筒状外壳外表面，所述环状永磁体两端分别通过圆筒状外壳的环状凸肩和挡环固定，所述圆柱状金属质量块置于圆筒状外壳中心，并通过万向角节型压电换能器与圆筒状外壳相连接；所述圆柱状金属质量块外表面开设有凹槽，所述线圈布置于凹槽内。本发明提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，其可弥补现有振动能量收集技术中振动能量收集装置只能敏感某个固定方向振动、能量收集效率低等缺陷，其无论振动方向如何变化，都能够较高效率的收集到振动能量。

Description

一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置

技术领域

本发明属于新型能源和电子技术领域，特别涉及一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置。

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，并由此而造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找和开发新型能源的探索，比如太阳能、风能、波浪能等。振动作为日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的研究者的关注。目前，用于实现振动能量收集的装置主要有压电式、电磁式和静电式三种。对于这三种能量收集技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成振动能量收集装置的各元器件的寿命，清洁环保，是一种典型的“绿色”能源技术。

基于此，目前出现了各种样式的振动能量收集装置，如以压电材料为基础的悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，还有以电磁学为基础的动圈式、动铁式结构等，以及以电子学理论为基础的驻极体式结构等。纵观振动能量收集技术的研究现状，上述振动能量收集装置收集的振动能量主要是单方向的，其使用场合对环境振动方向的选择性很强，在存在各种方向随机振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有限，限制了其大众化的推广使用。

因此急需一种收集效率高，并能对多个方向振动能量进行收集的装置，目前所提出的一种比较新颖的多方向压电振动能量收集装置为一立方体状结构，其能量收集使用的是Rainbow型压电换能结构，具体见论文：Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析，航空学报，2011,32(3)，该立方体状结构通过rainbow型压电换能结构结合万向柔性铰链实现对多方向振动能量的收集，但是该结构的缺点是：（1）rainbow型压电换能结构中压电材料为PVDF，而PVDF压电性较小，导致能量收集效果差；（2）万向柔性铰链的尺寸较小，导致万向柔性铰链的加工困难，加工成本上升且实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，其可弥补现有振动能量收集技术中振动能量收集装置只能敏感某个固定方向振动、能量收集效率低等缺陷，其无论振动方向如何变化，都能够较高效率的收集到振动能量。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

本发明提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，包括圆筒状外壳、挡环、环状永磁体、圆柱状金属质量块、线圈和至少两个万向角节型压电换能器，所述环状永磁体置于圆筒状外壳外表面，所述环状永磁体两端分别通过圆筒状外壳的环状凸肩和挡环固定，所述圆柱状金属质量块置于圆筒状外壳中心，所述万向角节型压电换能器绕圆柱状金属质量块一周，呈中心对称分布，所述圆柱状金属质量块通过万向角节型压电换能器与圆筒状外壳相连接；所述圆柱状金属质量块外表面开设有凹槽，所述线圈布置于凹槽内；所述万向角节型压电换能器由两个角形弹性金属薄片、刚性块及压电片组成，所述两个角形弹性金属薄片一端相连，两个角形弹性金属薄片相连端互相垂直，所述两个角形弹性金属薄片另一端分别接圆柱状金属质量块外壁和圆筒状外壳内壁，所述刚性块固定于角形弹性金属薄片的弯角处，所述压电片分别粘贴于角形弹性金属薄片的上、下两个表面，所述上层压电片和下层压电片的极化方向相反。

作为本发明的进一步改进，所述圆柱状金属质量块中部通过万向角节型压电换能器与圆筒状外壳相连接，为保持受力平衡，万向角节型压电换能器最好安装在圆柱状金属质量块中部。

作为本发明的进一步改进，所述万向角节型压电换能器的数量为2n个，n为正整数，为了保持稳定万向角节型压电换能器的数量最好为偶数。

作为本发明的进一步改进，所述角形弹性金属薄片中弯角的角度可以在0°至180°之间变化，本发明弯角可根据需要设计成不同的角度。

作为本发明的进一步改进，所述压电片为矩形形状，且沿厚度方向极化，虽然本发明压电片可沿不同方向极化，但是沿厚度方向极化后换能效果最佳。

作为本发明的进一步改进，所述压电片材料为压电陶瓷，压电陶瓷压电性较高，本发明使用压电陶瓷作为压电材料可大大提高装置的能量收集效果。

本专利申请中通过设计一种万向角节型压电换能器，将其两端分别固定在圆柱状金属质量块及圆筒状外壳上，不但可以解决换能器与圆柱状金属质量块及圆筒状外壳的连接问题，而且可以实现多方向振动能量的收集，在不知道环境振动方向的情况下，也可以安装使用，环境振动方向的变化对其影响很小，同时，振动能量收集装置中复合了压电式能量收集结构和电磁式能量收集结构，这样提高了振动能量收集装置的能量收集效率，增强了装置的实用性，从而既实现了多方向振动能量的收集，又容易加工制作。此外由于万向角节型压电换能器中压电材料为压电陶瓷，压电陶瓷压电性较高，因此，又进一步提高了装置的能量收集效果。

附图说明

图1是本发明中万向角节型压电换能器的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的整体俯视图；

具体部件如下：

1、圆筒状外壳；11、环状凸肩；2、挡环；

3、环状永磁体；4、圆柱状金属质量块；41、凹槽；

5、线圈；6、万向角节型压电换能器；61、角形弹性金属薄片；

62、刚性块；63、上层压电陶瓷片；64、下层压电陶瓷片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：

本发明结合图2和图3所示，本发明提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，包括圆筒状外壳1、挡环2、环状永磁体3、圆柱状金属质量块4、线圈5和至少两个万向角节型压电换能器6，下面分别介绍。

圆筒状外壳1一端的外表面设有环状凸肩11，以对环状永磁体3进行轴向定位。

圆柱状金属质量块4外表面设有凹槽41，以安装线圈5。

万向角节型压电换能器6的数目可根据实际情况进行选择，如在本实施例中选用4个，两端分别固定在圆筒状外壳1和圆柱状金属质量块4上，配合图1所示，本实施例中的万向角节型压电换能器6包括角形弹性金属薄片61、上层压电陶瓷片63、下层压电陶瓷片64和刚性块62，其中，角形弹性金属薄片61的夹角可以在0°至180°之间变化；上层压电陶瓷片63和下层压电陶瓷片64分别同向贴附于角形弹性金属薄片61的上表面和下表面，用以借助正压电效应将机械能转化为电能，所述的上层压电陶瓷片63、下层压电陶瓷片64沿厚度方向极化；刚性块62设于角形弹性金属薄片61的夹角处，用来刚性固定角形弹性金属薄片61的夹角处以利于角形弹性金属薄片61的弯曲变形，需要说明的是，万向角节型压电换能器6振动的固有频率与外界环境无关，仅取决于角形弹性金属薄片61的尺寸大小以及圆柱状金属质量块4的质量。

本实施例在工作时，将装置置于某一具有多个方向或振动方向随机变化的复杂振动环境中，并借助圆筒状外壳1加以固定；环境中的振动将诱发装置中的n个万向角节型压电换能器6产生受迫振动，角形弹性金属薄片61将产生交替变化的弯曲变形，从而使得粘贴在角形弹性金属薄片上的上层压电陶瓷片63和下层压电陶瓷片64产生交替变化的弯曲变形，根据压电材料的正压电效应，在上层压电陶瓷片63和下层压电陶瓷片64的正负电极面上产生正、负相反的电荷，即实现了由机械能到电能的转换；另外，由于粘贴时上层压电陶瓷片63和下层压电陶瓷片64的极化方向相反，因而在上层压电陶瓷片63的上电极面和下层压电陶瓷片64的下电极面将产生相同符号的电荷。由于本实施例的万向角节型压电换能器6关于圆柱状金属质量块4呈中心对称分布，且万向角节型压电换能器6呈万向节形式，因而不同方向的振动均能够被感知。此外，由于在圆筒状外壳1外表面设置的环状永磁体3，在圆柱状金属质量块4的受迫振动中，环绕在其外表面凹槽41内的线圈5将会产生切割磁力线运动，从而在线圈5中会产生感应电流，即实现了该复合式能量收集装置电磁部分由机械能到电能的转换，通过在振动能量收集装置中集成压电式能量收集结构和电磁式收集结构，不仅优化了装置整体的外形尺寸，同时也提高了振动能量收集装置的发电量。由此可见，本发明实现了多方向、高效率的振动能量收集。

需要说明的是，本发明可广泛应用于野外通讯与传感网络设备、环境与气候变化的监测控制、建筑物（如桥梁、楼房等）和大型机械（如飞行器、轮船等）的结构健康监测等需要能源自给的领域，其中的多个万向角节型压电换能器可用精密加工技术加工制作，以实现与微机电系统的集成；同时也可以采用传统加工工艺方法，如切割、焊接等，制成大尺寸结构，以进一步增大整体结构的发电量。

综上所述，本发明提出的多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，能感知任意方向的环境振动，发电量较单一悬臂梁压电结构或电磁式结构明显增大，有效拓宽了该振动能量收集装置的使用范围，增强了其实用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，其特征在于：包括圆筒状外壳（1）、挡环（2）、环状永磁体（3）、圆柱状金属质量块（4）、线圈（5）和至少两个万向角节型压电换能器（6），所述环状永磁体（3）置于圆筒状外壳（1）外表面，所述环状永磁体（3）两端分别通过圆筒状外壳（1）的环状凸肩（11）和挡环（2）固定，所述圆柱状金属质量块（4）置于圆筒状外壳（1）中心，所述万向角节型压电换能器的数量为2n个，n为正整数，所述万向角节型压电换能器（6）绕圆柱状金属质量块（4）一周，呈中心对称分布，所述圆柱状金属质量块（4）通过万向角节型压电换能器（6）与圆筒状外壳（1）相连接；所述圆柱状金属质量块（4）外表面开设有凹槽（41），所述圆柱状金属质量块（4）中部通过万向角节型压电换能器（6）与圆筒状外壳（1）相连接,所述线圈（5）布置于凹槽（41）内；所述万向角节型压电换能器（6）由两个角形弹性金属薄片（61）、刚性块（62）及压电片组成，所述两个角形弹性金属薄片（61）一端相连，两个角形弹性金属薄片（61）相连端互相垂直，所述两个角形弹性金属薄片（61）另一端分别接圆柱状金属质量块（4）外壁和圆筒状外壳（1）内壁，所述角形弹性金属薄片（61）中弯角的角度可以在0°至180°之间变化，所述刚性块（62）固定于角形弹性金属薄片（61）的弯角处，所述压电片分别粘贴于角形弹性金属薄片（61）的上、下两个表面，所述上层压电片和下层压电片的极化方向相反，所述压电片为矩形形状，且沿厚度方向极化，所述压电片材料为压电陶瓷。