CN105915117B - 摩擦‑压电‑磁电复合式振动微能源采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦‑压电‑磁电复合式振动微能源采集器，将一块磁铁悬浮起来作为微型能源采集器的敏感单元，提高了敏感部件的灵敏度，从而实现机械能的采集；同时，通过将具有互补工作模式的压电、磁电、摩擦三种发电单元集成，从而实现对机械能的高效采集。由中间向两侧，采集器依次包含电磁铁、摩擦薄膜、电磁感应线圈、压电层和结构基座，电磁层采用磁悬浮设计，避免了传统结构中敏感元件上面的机械连接，可以感应更微小的机械振动；压电层采用了一端固定并连接电极，另一端错位支撑的结构设计，而且利用磁场同极相斥的原理，感应敏感元件（悬浮磁铁）的位移变化，使压电薄膜发生形变。摩擦层采用叠放双层膜的方式，利用悬浮磁铁震动接触摩擦层，在两层摩擦膜之间感应电荷。
Description
技术领域
本发明属于器件技术能源材料与器件技术领域，具体为一种摩擦-压电-磁电复合式单自由度微能源采集器的器件结构设计。
背景技术
能源是人类活动的物质基础。当前世界经济的高速发展以及人类文明的不断进步，都离不开化石能源，包括煤炭、石油、天然气等的广泛应用，因而，可以毫无夸张地说，当前的世界经济是建立在化石能源基础上的。然而，伴随着经济发展所引起的全球温室效应和能源短缺已经开始全面影响人类社会的生存与发展，这迫使人们不断寻找新的能源以及改变现在的用能方式和结构。电能是能源应用中最有效、最直接的一种形式，很多能源形式最终都转换为电能而被人加以利用。在宏观方面，社会的正常运转和人们的日常生活都有赖于常规能源或新能源所产生和输送而来的电能；在微观方面，个人电子产品、植入式生物传感器、微电子机械系统、环境监测传感器甚至小到纳米机器人、微型马达等都需要独立、持久性的供能装置来提供动力。
机械能是周围环境中分布最广且最容易获取的能量之一，存在于机械振动、风动能、水流动能以及肌肉伸缩等各种情景中。相应地，许多方法也被提出用来将机械能转化为电能，包括电磁感应、静电感应、压电效应和摩擦发电。摩擦发电是一种新型发电方式，依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其微小的机械能转化为电能。在摩擦过程中，具有不同摩擦极性的两种材料相互接触-分离，进而产生电荷转移，形成电流。相对于其他发电形式，摩擦发电具有体积小、重量轻、高输出功率、低成本和可选材料种类丰富等优势。然而，不论哪种形式的发电方式都存在一定的局限性，不能达到对机械能的高效采集，输入的大部分能量以热能、材料形变和物体动能等形式耗散掉。为了解决机械能的高效采集问题，将具有互补工作模式的发电方式集成在同一器件上是一种可行性很高且有效的解决途径。因此，设计一种新型的器件结构，实现多种采集方式相结合将大幅度提高采集效率，并具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型摩擦-压电-磁电复合式单自由度振动微能源采集器的器件结构设计，实现多种采集方式相结合，将大幅度提高采集效率。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，包括位于中部的磁悬浮支撑架，所述磁悬浮支撑架的边缘四周的磁铁放置腔内放置悬浮固定磁铁柱，所述磁悬浮支撑架的中心空腔内放置磁铁支架，所述磁铁支架内固定悬浮磁铁；所述磁悬浮支撑架的上下两侧分别设置摩擦薄膜，所述摩擦薄膜的背面覆盖一层电极并引出导线；上下两层摩擦薄膜分别固定于上下层的电磁感应线圈上，每层电磁感应线圈固定安装于各自的线圈支架中心并引出导线；所述线圈支架固定安装于结构基座上；所述结构基座内固定安装压电薄膜并引出导线，所述压电薄膜中心设置磁铁片；位于上下层的线圈支架对称固定安装于磁悬浮支撑架的两侧。
摩擦-压电-磁电复合式微能源采集器由内到外依次是电磁层、摩擦层、压电层、结构基座。电磁层利用磁悬浮原理将一块扁圆形磁铁悬浮起来，通过悬浮磁铁感应外部环境的机械振动，悬浮磁铁发生振动，电磁感应线圈就可以产生感应电荷，电荷流过外电路形成电流，提高磁铁采集振动能的灵敏性，可以感应更加微小的振动，有利于提高采集效率。摩擦层的摩擦材料背面覆一层电极，双层摩擦膜顺序叠放，悬浮磁铁振动时会与位于其两侧的摩擦薄膜形成撞击，受到挤压时，双层摩擦膜感应出电荷，发生电荷转移，形成电流。压电层的压电薄膜中心固定有一块小型磁铁片，磁极与悬浮磁铁的磁极相对，因为电磁场同极相斥，在悬浮磁铁振动时会排斥磁铁片使其产生位移，从而带动压电薄膜产生形变，由于磁场的同极相斥原理从而使压电薄膜发生形变产生电流。整个机构采取上下对称设计，增加能源采集单元，提高采集效率。
本发明设计合理，将压电单元、摩擦单元和磁电单元集成在方形机构中，能实现多种能源转化方式的复合式应用，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，以及更加丰富的应用场合，可以解决个人电子产品（如手机、手环等）和无线传感网络（如森林火灾检测系统、红外传感安防系统等）的自供电问题，具有很好的市场应用价值。
附图说明
图1表示本发明所述能量采集器件的分解示意图。
图2表示本发明所述能量采集器件的剖面示意图。
图3磁悬浮示意图。
图中：1-结构基座，2-压电层，3-磁铁片，4-圆柱电极，5-支撑梁，6-线圈支架，7-电磁感应线圈，8-磁悬浮支撑架，9-悬浮固定磁铁柱，10-摩擦薄膜，11-悬浮磁铁，12-磁铁支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种摩擦-压电-磁电复合式单自由度振动微能源采集器，如图1、2所示，包括位于中部的磁悬浮支撑架8，所述磁悬浮支撑架8的边缘四周的磁铁放置腔内放置悬浮固定磁铁柱9，所述磁悬浮支撑架8的中心空腔内放置磁铁支架12，所述磁铁支架12内固定悬浮磁铁11；所述磁悬浮支撑架8的上下两侧分别设置摩擦薄膜10，所述摩擦薄膜10的背面覆盖一层电极并引出导线；上下两层摩擦薄膜10分别固定于上下层的电磁感应线圈7上，每层电磁感应线圈7固定安装于各自的线圈支架6中心并引出导线；所述线圈支架6固定安装于结构基座1上；所述结构基座1内固定安装压电薄膜2并引出导线，所述压电薄膜2中心设置磁铁片3；所述压电薄膜2的一侧通过两根支撑梁5固定、另一侧通过两个圆柱电极4固定；位于压电薄膜2内侧的支撑梁5和圆柱电极4均与线圈支架6固连，位于压电薄膜2外侧的支撑梁5和圆柱电极4均与结构基座1固连。位于上下层的线圈支架6对称固定安装于磁悬浮支撑架8的两侧。
摩擦-压电-磁电三种发电单元被集成在同一个结构内部，器件工作的基本构想是通过悬浮磁铁11感应外部环境的机械振动，悬浮磁铁11发生振动，电磁感应线圈7就可以产生感应电荷，电荷流过外电路形成电流；同时由于磁场的同极相斥原理从而使压电层2发生形变产生电流；悬浮磁铁11振动时会与位于其两侧的摩擦薄膜10形成撞击，双层摩擦膜10感应出电荷，发生电荷转移。整体机构采取对称设计，增加了能量采集单元。
整个器件的具体实现步骤如下：
步骤1：采用公知的自组装方法制备摩擦薄膜10，或者采用市场购买的摩擦薄膜。
步骤2：制备合适尺寸的结构基座1、圆柱电极4、支撑梁5，线圈支架6，电磁感应线圈7，悬浮磁铁支撑腔8。
步骤3：将电磁感应线圈7固定在线圈支架6的中心腔内，引出导线。
步骤4：将两个圆柱电极4分别固定在机构基座1上部和线圈支架6下部，引出导线。
步骤5：将两根支撑梁分别固定在结构基座1上部和线圈支架6下部。
步骤6：将磁铁片3固定在压电薄膜2中心。
步骤7：将压电薄膜2一端固定在机构基座1上的两个圆柱电极4之间，另一端固定于两根支撑梁5之间。
步骤8：将线圈支架6固定在结构基座1上，其上圆柱电极4和压电薄膜2固定连接。
步骤9：将摩擦薄膜10置于线圈支架6的上表面中心，与电磁感应线圈7固定，引出导线。
步骤10：重复上述步骤，组装另一组相同结构。
步骤11：将悬浮固定磁铁柱9放置于磁悬浮支架8的四个小腔内。
步骤12：将悬浮磁铁11固定在磁铁支架12中心腔内。
步骤13：将上一步组装好的磁铁支架12放到磁悬浮支架8中心的空腔内。
步骤14：将之前组装好的两组结构分别固定在磁悬浮支架8两侧。
上述方案中：
步骤1中，在制备摩擦薄膜10时要在摩擦薄膜背面做一层电极并引出导线，摩擦薄膜10直径要略小于磁悬浮支撑架8中心的空腔的直径，这是为了在步骤14组装中将摩擦薄膜10沉入磁悬浮支撑架8中心的空腔内。
步骤2中，制作的电磁感应线圈7和线圈支架6的厚度要保证相同。磁悬浮支撑架8制作时四周的放置悬浮固定磁铁柱9的四个腔要保证依次间隔90度，且到中心的距离相同，这是为了悬浮磁铁11和悬浮固定磁铁柱9由于磁场的相互作用自动形成磁悬浮效果后磁铁支架12能位于磁悬浮支撑架8空腔的中心，不与悬浮支撑架8的空腔内壁接触，影响悬浮磁铁11灵敏度。
步骤4中，固定的两个圆柱电极4位置要对齐，组装后位置要正好将压电层2夹住，这是为了避免压电薄膜2在多次形变过程中造成固定部分松动。
步骤5中，两根支撑梁5要错位固定，这是为了在压电薄膜4形变过程中减小阻力。
步骤6中，压电薄膜2采用柔性压电材料，例如PVDF制作，其上固定磁铁片3，感应悬浮磁铁11的振动使压电材料发生形变。
步骤7中，固定压电薄膜4的时候要保证磁铁片3位于结构的中心位置，这是为了能更好的感应悬浮磁铁11的振动；磁极要与悬浮磁铁11的磁极相对，这是为了利用磁场同极相斥原理感应振动，且可以保证整体结构在上下倒置时候对压电薄膜4的感应振动没有影响。
步骤9中，放置摩擦薄膜要双层顺序放置，引出两根导线。
步骤11中，在放置过程中要保持悬浮磁铁11和悬浮固定磁铁柱9磁极方向保持一致。这是为了在放置好以后悬浮磁铁11和悬浮固定磁铁柱9由于磁场的相互作用自动形成磁悬浮效果。
步骤13中，器件敏感元件悬浮磁铁11采用磁悬浮方式，去掉了机械连接，提高了灵敏度。
本发明采用机械能的能量采集技术，利用磁悬浮原理使一块较大的磁铁悬浮起来作为微型能源采集器的敏感单元，提高了敏感部件的灵敏度，从而实现机械能的采集；同时，通过将具有互补工作模式的压电、磁电、摩擦三种发电单元集成，从而实现对机械能的高效采集。由中间向两侧，采集器依次包含电磁铁、摩擦薄膜、电磁感应线圈、压电层和结构基座，电磁层采用磁悬浮设计，避免了传统结构中敏感元件上面的机械连接，可以感应更微小的机械振动；压电层采用了一端固定并连接电极，另一端错位支撑的结构设计，而且利用磁场同极相斥的原理，感应敏感元件（悬浮磁铁）的位移变化，使压电薄膜发生形变。摩擦层采用叠放双层膜的方式，利用悬浮磁铁震动接触摩擦层，在两层摩擦膜之间感应电荷。而且本结构采用对称式设计，能更好的利用悬浮磁铁的N极和S极两个磁极，同时也增加了摩擦层和压电层采集单元数量，提高了微型能源采集器的采集效率。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制，器件结构不受球壳大小、缓冲层材料种类、线圈匝数、线圈个数、线圈在球壳上的布局、球壳划分方式、压电和摩擦材料的种类等限制，凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均在权利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：包括位于中部的磁悬浮支撑架（8），所述磁悬浮支撑架（8）的边缘四周的磁铁放置腔内放置悬浮固定磁铁柱（9），所述磁悬浮支撑架（8）的中心空腔内放置磁铁支架（12），所述磁铁支架（12）内固定悬浮磁铁（11）；所述磁悬浮支撑架（8）的上下两侧分别设置摩擦薄膜（10），位于下侧的摩擦薄膜（10）的下表面覆盖一层电极并引出导线，位于上侧的摩擦薄膜（10）的上表面覆盖一层电极并引出导线；上下两层摩擦薄膜（10）分别固定于上下层的电磁感应线圈（7）上，每层电磁感应线圈（7）固定安装于各自的线圈支架（6）中心并引出导线；所述线圈支架（6）固定安装于结构基座（1）上；所述结构基座（1）内固定安装压电薄膜（2）并引出导线，所述压电薄膜（2）中心设置磁铁片（3）；所述压电薄膜（2）的一侧通过两根支撑梁（5）固定、另一侧通过两个圆柱电极（4）固定；靠近线圈支架（6）一侧的支撑梁（5）和圆柱电极（4）均与线圈支架（6）固连，靠近结构基座（1）一侧的支撑梁（5）和圆柱电极（4）均与结构基座（1）固连；
位于上下层的线圈支架（6）对称固定安装于磁悬浮支撑架（8）的两侧。
2.根据权利要求1所述的摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：在纵向上，两根支撑梁（5）错位固定，两个圆柱电极（4）对齐固定。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：所述压电薄膜（2）采用柔性压电材料PVDF制作。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：所述磁悬浮支撑架（8）的边缘同一圆周内间隔90°设置四个磁铁放置腔。
5.根据权利要求4所述的摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：所述摩擦薄膜（10）直径小于磁悬浮支撑架（8）的中心空腔的直径。
6.根据权利要求5所述的摩擦-压电-磁电复合式振动微能源采集器，其特征在于：所述电磁感应线圈（7）和线圈支架（6）的厚度相同。
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