CN104836478A - 一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，属于新能源和发电技术领域。电双晶片固定在悬臂梁上下表面；压电双晶片表面涂覆银；悬臂梁一端固定在振动体的基座上，一端粘贴永磁铁；永磁铁两侧分别放置感应线圈；在两感应线圈后分别放置两侧磁铁；本发明提高了俘能器的环境适应能力及俘能器的俘能效率；并可有效拓宽俘能带宽。本发明利用压电效应和电磁感应在振动条件下俘能，可产生较大电流和较高电压，有效弥补了压电或电磁单独俘能方式的不足，利用有效的能量转换电路可做到较高电压和较高电流的同时输出，更有利于为充电电池或超级电容充电。

Description

一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器
技术领域
本发明涉及一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，属于新能源和发电技术领域。
背景技术
目前，随着现代集成电路技术和微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种微机电器件或系统和低功耗电子产品越来越多地应用到航空航天、兵器工业、生物医药、结构健康监测等领域。目前仍然采用化学电池为这些系统或器件供电，但是使用化学电池存在着比较突出的问题：重量和体积较大，无法在工作空间较小的系统中使用；供能寿命有限，能量耗尽需重复充电或更换；对环境的污染较大。这些已经成为微机电系统和低功耗电子产品进一步应用的不利因素。因此，为微机电系统和低功耗电子器件供能的新型供电技术成为亟待解决的关键技术问题。
近年来，国内外科学家都在积极研究新的供能方式，其中一种非常有前途的方法就是设计一种装置直接从环境中提取能量为无线传感器等低功耗电子器件供能。可从环境获得有限电能的方式包括光、温度梯度场、振动、风、水流、电磁波等等。其中，具有结构简单、不发热、便于实现小型化和集成化等优点的压电或电磁俘能装置备受关注。现阶段国内外在俘能方面的研究主要集中在单一转换机理上，所设计的结构大多只基于一种俘能机理，但不同类型的振动型俘能器都有其各自不同的特点，如压电式俘能器虽然输出电压较大，但由于内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压较小，只有几十到几百毫伏。这些俘能器的共同缺点都是频带窄，振动频率固定，环境适应能力较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有俘能器存在频带窄、振动频率固定与环境适应能力较差的问题，提供一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，包括压电俘能装置、电磁俘能装置、外框、电极以及基座；
压电俘能装置包括压电双晶片、悬臂梁；
电磁俘能装置包括永磁铁、感应线圈和两侧磁铁；
压电双晶片固定在悬臂梁上下表面；压电双晶片表面涂覆银，电荷通过电极连接导线引出到能量转换电路进行处理；悬臂梁一端固定在振动体的基座上，一端粘贴作为质量块的矩形永磁铁以降低俘能结构的振动频率；永磁铁两侧分别放置感应线圈；在永磁铁振动过程中感应线圈切割磁力线产生感应电流；在两感应线圈后分别放置两侧磁铁；放置两侧磁铁的主要作用就是利用磁铁间作用力增大悬臂梁的振动振幅并使磁铁间的磁力线密度增加以使更多的磁力线参与到电磁感应中获得更大感应电流。
由压电双晶片构成的压电悬臂梁俘能结构在外界振动激励作用下产生上下振动，压电双晶片由于变形产生压电效应在压电双晶片表面产生电荷，两片压电双晶并联后经压电俘能电路输出到能量存储电路处理后存储起来，在悬臂梁振动的同时，悬臂梁末端的永磁铁也随着悬臂梁发生上下振动，永磁铁两侧的线圈切割磁力线由于电磁感应产生感应电流，线圈串联后经电磁俘能电路输出到能量存储电路存储后存储起来。
压电俘能装置经能量采集电路转换后输出电压大、电流小，电磁俘能装置经能量采集电路转换后输出电流大、电压小，压电俘能装置的输出和电磁俘能装置的输出经能量存储电路输出较高电压和较高电流存储在储能元件中以供使用。
所述的压电双晶片材料为压电陶瓷；
所述的压电双晶片固定在悬臂梁上下表面，采用粘贴方式固定；
所述的能量转换电路，主要包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻、电容，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3与二极管D4构成桥式整流电路；在振动的正半周时，二极管D2和二极管D3导通；在振动的负半周时，二极管D1和二极管D4导通，负载上得到的始终是正向直流电压。
有益效果
1、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，利用压电效应和电磁感应在振动条件下俘能，可产生较大电流和较高电压，有效弥补了压电或电磁单独俘能方式的不足，利用有效的能量转换电路可做到较高电压和较高电流的同时输出，更有利于为充电电池或超级电容充电。
2、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，利用永磁铁与两侧磁铁之间的磁力耦合作用使压电俘能结构的振动模态产生变化，使悬臂梁的振幅和振动频率发生变化，从而改变了复合俘能器的发电特性，提高了俘能器的环境适应能力。
3、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，由于永磁铁与两侧感应线圈之间的电磁感应作用，会在线圈中产生感应电流，但根据楞次定律，感应电流也会在线圈内产生感应磁场，这个感应磁场与永磁铁的磁场之间也存在着相互作用，因此，磁铁间的相互作用和电磁感应的相互作用实现了压电俘能结构悬臂梁的非线性振动，可有效拓宽俘能带宽；
4、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，采用压电双晶片和感应线圈共同俘能，做到了在有限空间内两种俘能方式的复合，输出功率比单一压电式俘能器输出功率提高了38％，3dB带宽相比于压电式俘能器提高了67％。
附图说明
图1为压电-电磁复合俘能流程图；
图2为压电-电磁复合俘能器结构示意图；
图3为压电-电磁复合俘能器装配图；
图4为能量转换电路；
图5为压电双晶片悬臂梁示意图。
其中，1—外框、2—压电双晶片、3—电极、4—悬臂梁、5—基座、6—永磁铁、7—感应线圈、8—两侧磁铁。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。
实施例1
一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，包括压电俘能装置、电磁俘能装置外框1、电极3、基座5；压电俘能装置包括压电双晶片2、悬臂梁4；电磁俘能装置包括永磁铁6、感应线圈7和两侧磁铁8，如图2、3所示。
压电双晶片2采用粘贴方式固定在悬臂梁4上下表面；与悬臂梁4同时振动，在振动过程中产生的电荷通过电极3连接导线引出到能量转换电路进行处理；悬臂梁4一端紧密固定在振动体的基座5上，另一端粘贴作为质量块的矩形永磁铁6以降低俘能结构的振动频率，如图5所示；当俘能器整体处于振动环境下时，俘能器的压电俘能装置利用D31压电效应俘能，永磁铁6在压电俘能装置中的主要作用就是增大悬臂梁4的振幅并降低压电俘能装置的俘能频率。永磁铁6两侧分别放置感应线圈7形成电磁俘能装置；在俘能器整体振动过程中永磁铁6的与感应线圈7产生相对运动，感应线圈7切割磁力线产生感应电流输出到能量转换电路中；在两个感应线圈7后分别放置两侧磁铁8；两侧磁铁8在电磁俘能装置中的主要作用就是利用磁铁间相互作用力改变悬臂梁4的振动状态增大俘能效果并增加磁铁间磁力线的密度以使更多的磁力线参与到电磁感应中获得更大感应电流。
所述的压电俘能结构和电磁俘能结构通过环境振动激励产生的都是周期性变化的交流电，这种交流电无法给低功耗器件供电；能量转换电路的作用就是把俘能结构产生的交流电经整流后转换成直流电，再经过滤波得到一个较平稳的输出。标准的能量转换电路如图4所示，主要包括二极管、电阻、电容连接，二极管D1二极管D2二极管D3二极管D4构成桥式整流电路。在振动的正半周时，二极管D2和二极管D3导通；在振动的负半周时，二极管D1和二极管D4导通，负载上得到的始终是正向直流电压。
如图1所示，由压电双晶片2构成的压电悬臂梁俘能结构在外界振动激励作用下产生上下振动，压电双晶2片由于变形产生压电效应在压电双晶片2表面产生电荷，两片压电双晶2并联后经压电俘能电路输出到能量存储电路处理后存储起来，在悬臂梁4振动的同时，悬臂梁4末端的永磁铁6也随着悬臂梁4发生上下振动，永磁铁6两侧的线圈切割磁力线由于电磁感应产生感应电流，线圈串联后经电磁俘能电路输出到能量存储电路存储后存储起来。
压电俘能装置经能量转换电路处理后输出电压大、电流小，电磁俘能装置经能量转换电路处理后输出电流大、电压小，压电俘能装置的输出和电磁俘能装置的输出经能量存储电路输出较高电压和较高电流存储在储能元件中以供使用。
对于压电俘能装置，利用压电双晶片2的压电效应产生电荷，压电晶片在受到外力时由于压电材料的压电效应在压电晶片的上下表面会产生等量异号的电荷，通过电极3引出到能量转换电路中以供使用，在本发明中主要利用了压电双晶片的D31效应。
对于电磁俘能装置，利用法拉第电磁感应定律在线圈中产生电流，当磁铁的磁力线与感应线圈发生相对运动时，在感应线圈内就会产生感应电流，电流通过能量转换电路以供使用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如改变质量块磁铁的为圆柱体，末端形状为圆锥形或圆柱形等，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，其特征在于：包括压电俘能装置、电磁俘能装置、外框(1)、电极(3)以及基座(5)；压电俘能装置包括压电双晶片(2)、悬臂梁(4)；电磁俘能装置包括永磁铁(6)、感应线圈(7)和两侧磁铁(8)；
压电双晶片(2)固定在悬臂梁上下表面；压电双晶片(2)表面涂覆银，电荷通过电极(3)连接导线引出到能量转换电路进行处理；悬臂梁(4)一端固定在振动体的基座(5)上，一端粘贴作为质量块的矩形永磁铁(6)；永磁铁(6)两侧分别放置感应线圈(7)；在永磁铁(6)振动过程中感应线圈(7)切割磁力线产生感应电流；在两感应线圈(7)后分别放置两侧磁铁(8)。
2.如权利要求1所述的一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，其特征在于：工作过程为：由压电双晶片(2)构成的压电悬臂梁俘能结构在外界振动激励作用下产生上下振动，压电双晶(2)片由于变形产生压电效应在压电双晶片(2)表面产生电荷，两片压电双晶(2)并联后经压电俘能电路输出到能量存储电路处理后存储起来，在悬臂梁(4)振动的同时，悬臂梁(4)末端的永磁铁(6)也随着悬臂梁(4)发生上下振动，永磁铁(6)两侧的线圈切割磁力线由于电磁感应产生感应电流，线圈串联后经电磁俘能电路输出到能量存储电路存储后存储起来。
3.如权利要求1所述的一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，其特征在于：所述的压电双晶片(2)材料为压电陶瓷。
4.如权利要求1所述的一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，其特征在于：所述的压电双晶片(2)固定在悬臂梁上下表面，采用粘贴方式固定。
5.如权利要求1所述的一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，其特征在于：所述的能量转换电路，主要包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻、电容，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3与二极管D4构成桥式整流电路；在振动的正半周时，二极管D2和二极管D3导通；在振动的负半周时，二极管D1和二极管D4导通，负载上得到的始终是正向直流电压。
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