CN106026768A - 一种振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动能量采集器，包括支架，支架上方设有盖板，支架下方设有底板，所述支架内设有至少3个均匀分布的折叠压电梁，折叠压电梁的折弯部之间设有间距，折叠压电梁的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁的固定端固定在支架上，折叠压电梁的悬臂端延伸至支架的中部，折叠压电梁的悬臂端围成的空间内设有球体，折叠压电梁的悬臂端之间设有间距，球体与折叠压电梁的悬臂端设有间距。本发明使有质量的球体周围分布压电折叠梁，当球体在外界振动激励作用下运动给周围的压电折叠梁施加作用力使其变形产生应力，这样由于压电效应在折叠压电梁两侧产生压电电荷，通过压电折叠梁两侧的电极由电源管理电路收集，实现了对振动能量的收集，且采集效率更高。

Description

一种振动能量采集器

技术领域

本发明涉及能量采集器的技术领域，具体涉及一种振动能量采集器，可以对各个方向的振动激励加以响应，实现能量的采集，将环境中的振动能转换成电能，可以提高能量采集的效率。

背景技术

随着石化能源的逐步消耗，能源问题逐渐受到全世界的关注。而自然界赋予我们各种形式的能量，目前大部分能量没有被利用起来。比如，通过光电转换形式将太阳光能转换成电能，通过热电效应将余热转换为电能，通过生物化学反应的能量采集，通过部件运动将环境中的振动能转换成电能。振动能量采集可以应用到各个领域，许多有振动的物体，比如汽车、火车、桥梁以及楼宇都有一定频率的振动来源，而人的日常行走也有一定的振动来源。这些振动来源都蕴含有丰富的能量，如果能将这些能量合理的收集起来，可以供电子器件使用。目前研究中用于振动能量采集的主要方式有压电式、电磁式和静电式，压电式能量采集器主要特点是输出电压高、压电梁通常需要工作与频率较高的范围；而电磁式能量采集器的特点是其输出电流较大、电压较小。通常研究的能量采集器是对某一方向的振动激励进行响应而进行能量采集，而且其需要的工作频率比较高，在较低的频率范围，比如人体运动的频率只有10Hz以下，则不能有效的进行振动能量的采集。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种振动能量采集器，可以响应多个方向的振动，对平面内各方向的振动激励进行响应，尤其是对多方向的低频振动进行响应，可以有效的将振动能量转换成电能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种振动能量采集器，包括支架，支架上方设有盖板，支架下方设有底板，所述支架内设有至少3个折叠压电梁，折叠压电梁的两侧面设有电极，折叠压电梁的折弯部之间设有间距，折叠压电梁的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁的固定端固定在支架上，折叠压电梁的悬臂端延伸至支架的中部，折叠压电梁的悬臂端围成的空间内设有球体，折叠压电梁的悬臂端之间设有间距，球体与折叠压电梁的悬臂端设有间距。

所述折叠压电梁的悬臂端均固定设有挡块，挡块围成的中心设有球体，球体与挡块之间设有间距，挡块之间设有间距。

所述挡块为圆弧形的挡块，挡块的内凹侧与球体相对。

所述盖板和底板的内表面上设有螺旋线圈，螺旋线圈两端设有引出线，球体为磁化的球体；所述球体呈半径方向磁化，球体的中心为一个磁极，球体外侧的磁极与球体中心的磁性相同。

所述挡块为磁铁块，挡块靠近球体外侧的磁极与球体外侧的磁极相反。

所述支架是呈圆柱筒形的支架，折叠压电梁的数量设有4个，折叠压电梁沿支架圆周均匀分布，4个折叠压电梁在同一个平面上、且该平面与螺旋线圈平行。

所述折叠压电梁的横截面从悬臂端到固定端逐渐减小。

所述的折叠压电梁通过可调节连接方式与支架相连接。

所述球体位于支架的中心，所述螺旋线圈设置在盖板和底板的中心。

所述盖板和底板上设有若干个螺旋线圈，每个折叠压电梁悬臂端的上方和下方均设有螺旋线圈；所述盖板和底板上的螺旋线圈上设有覆盖层，覆盖层厚度比螺旋线圈的厚度大，覆盖层由绝缘材料构成。

所述球体和挡块采用钕铁硼制成，折叠压电梁采用压电系数大的PZT或PVDF制成。

本发明的有益效果：在质量球体周围分布压电折叠梁，当球体在外界振动激励作用下运动（以滚动为主，滚动的摩擦力更小）给周围的压电折叠梁施加作用力使其变形产生应力，这样由于压电效应在折叠压电梁两侧产生压电电荷，通过压电折叠梁两侧的电极由电源管理电路收集；进一步，考虑采用磁性球体，同时在底板和盖板上设置感应线圈，这样当磁性的球体运动时，一方面可以对压电折叠梁施加作用力，另一方面由于磁性球的运动其磁场也发生变化，这样在上下感应线圈内由于磁通量变化而产生感应电动势，可以同时利用压电效应和电磁效应进行振动能量采集，采集效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3的爆炸图1的结构示意图。

图2为本发明实施例3的爆炸图2的结构示意图。

图3为本发明实施例3去掉盖板的结构示意图。

图4为本发明实施例3的外部结构示意图。

其中，1为支架，2为盖板，3为底板，4为螺旋线圈，5为折叠压电梁，6为挡块，7为球体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种振动能量采集器，包括支架，支架上方设有盖板，支架下方设有底板，支架内设有至少3个折叠压电梁。折叠压电梁内设有压电片，折叠压电梁的两侧面设有不同极性的电极，电极与电源管理电路相连接。折叠压电梁的折弯部之间设有间距，该间距可以使折叠压电梁产生压电效应。折叠压电梁的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁的固定端固定在支架上，折叠压电梁的悬臂端延伸至支架的中部。折叠压电梁的悬臂端围成的空间内设有球体，折叠压电梁的悬臂端之间设有间距，避免折叠压电梁振动过程中相互影响。球体与折叠压电梁的悬臂端设有间距，使球体在折叠压电梁围成的空间内充分滚动，滚动的摩擦力更小。球体设置在盖板和底板之间，球体与盖板、底板之间需要设置一个小的间隙，避免其脱离折叠压电梁所围成的空间平面。

优选地，支架内的至少3个折叠压电梁可以是均匀分布的，方便每个折叠压电梁均匀接收球体滚动中的作用力。

优选地，折叠压电梁的悬臂端均固定设有挡块，挡块围成的中心设有球体，球体与挡块之间设有间距，挡块之间设有间距。挡块的设置防止球体脱离折叠压电梁的悬臂端围成的活动区域，同时方便折叠压电梁收集球体滚动中的动力。进一步地，挡块为圆弧形的挡块，挡块的内凹侧与球体相对。采用内侧面呈弧面的挡块，给球体的反作用力有利于球体返回到支架的中心位置，而且球体被反弹回的轨迹尽量通过支架的中心，而不至于使球体在支架中央附近无规则运动，提高了球体动能向折叠压电梁电能的转换效率。

本发明在有质量的球体周围分布压电折叠梁，当球体在外界振动激励作用下滚动时给周围的压电折叠梁施加作用力使其变形产生应力，这样由于压电效应在折叠压电梁两侧产生压电电荷，通过压电折叠梁两侧的电极由电源管理电路收集。本发明实现了只利用压电折叠梁和球体，球体运动时使压电梁振动产生压电电荷，从而进行能量采集。

实施例2

一种振动能量采集器，包括支架1，支架1上方设有盖板2，支架1下方设有底板3。所述支架1内设有至少3个均匀分布的折叠压电梁5，折叠压电梁5的折弯部之间设有间距，折叠压电梁5的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁5的固定端固定在支架上，折叠压电梁5的悬臂端延伸至支架的中部，折叠压电梁5的悬臂端围成的空间内设有球体，折叠压电梁5的悬臂端之间设有间距，球体7与折叠压电梁5的悬臂端设有间距。

折叠压电梁5呈均匀分布设置，一方面可以提高对球体7的运动能量进行转换，另一方面使各个折叠压电梁5得到电能接近一致。折叠压电梁5的悬臂端均固定有挡块6，挡块6围成的中心设有球体7；球体7与挡块6之间设有间距，挡块6之间设有间距。球体7与挡块6之间设有间距，给球体提供活动空间。挡块6之间设有间距，使折叠压电梁的悬臂端可以自由伸缩运动，不会受到碰撞而影响其运动以及能量采集效率。当球体7在外界激励作用下运动时，挡块6施加作用力、进而使折叠压电梁变形产生压电电荷。

盖板2和底板3的内表面上设有螺旋线圈4，螺旋线圈4两端设有引出线，引出线与电源管理电路相连接。球体7为磁化的球体，球体7呈半径方向磁化，球体7的中心为一个磁极，球体7外侧的磁极与球体中心的磁性相反。折叠压电梁5的悬臂端将球体7合围住，这样球体7向四周运动时会给折叠压电梁5施加压力，使折叠压电梁5产生形变，利用压电效应在折叠压电梁5两侧的电极上可以得到电荷，供能量管理电路收集。在上下方向上，球体7在盖板2和底板3之间运动，球体7在螺旋线圈4的支撑和约束下在盖板2和底板3之间运动，对平面内的振动激励加以响应，球体7在盖板2和底板3上的螺旋线圈4之间就可产生感应电压。通过增设螺旋线圈4，并且采用磁性的球体7，这样当球体7运动时会在螺旋线圈4内产生磁通量的变化，进而在线圈内产生感应电压，有能量管理电路进行收集。

优选地，挡块6为磁铁块，挡块6靠近球体7外侧的磁性与球体外侧的磁极相同。折叠压电梁5悬臂端的挡块6在球体7的作用下运动，这个运动会在底板3和盖板2上的螺旋线圈4中产生感应电动势，由能量管理电路收集。利用折叠压电梁5悬臂端的挡块6可以调节折叠压电梁5和球体7间的作用力，调谐折叠压电梁5的振动性能，以便对不同频率的振动激励加以响应。磁性的挡块6一方面调节球体7的受力，另一方面在螺旋线圈4中增加感生电动势。

优选地，球体7位于支架1的中心，螺旋线圈4为一个整体，螺旋线圈4设置在盖板2和底板3的中心。

优选地，盖板2和底板3上设有若干个螺旋线圈4，每个折叠压电梁悬臂端的上方和下方均设有螺旋线圈4。每一折叠压电梁5的悬臂端对应均设有一个螺旋线圈4，一方面对折叠压电梁5悬臂端的挡块6进行电磁响应，另一方面也对中央的球体7的运动进行电磁响应。为了保护螺旋线圈4，螺旋线圈4上设有覆盖层，可以在盖板和底板设置螺旋线圈4一侧面上设置一层覆盖层。覆盖层厚度比螺旋线圈4的厚度大，覆盖层由绝缘材料构成。覆盖层采用摩擦系数小的更好，可以采用氧化铝或聚四氟乙烯制成，一方面给覆盖层提供绝缘保护，另一方减小球体7运动时的摩擦损耗。

优选地，折叠压电梁5的横截面从悬臂端到固定端逐渐减小，减小折叠压电梁5的弹性刚度，增大折叠压电梁工作时的变形量，产生更多的压电电荷。折叠压电梁5的这种结构可以减小折叠压电梁5的弹性系数，有利于在同样作用力下产生更大的形变量，可以产生到更多的电荷。

优选地，折叠压电梁5通过可调节连接方式与支架1相连接。比如可以采用螺栓连接或者弹簧卡圈连接方式，这样可以调节折叠压电梁5向支架1内伸出的长度，调谐折叠压电梁5的振动特性，以期对不同频率的振动激励加以响应。

优选地，球体7和挡块6采用钕铁硼制成，折叠压电梁5采用压电系数大的PZT或PVDF制成。钕铁硼为目前磁能积最大的磁性材料，PZT是常用的压电材料且其压电系数较大，可以提高动能向电能的转换效率。聚合物压电材料PVDF的柔性好，其构成的折叠压电梁弹性系数小、可以得到较大的形变，有利于压电电荷的产生。

具体工作过程为：静止情况下，支架置水平安放，磁性球体在周围磁铁块的排斥力作用下处于底板的中央，由于球体重力作用，球体支撑造底板上，但是球体与盖板之间有一定间距；当球体在外界振动激励作用下运动（以滚动为主，滚动的摩擦力更小）给周围的压电折叠梁施加作用力使其变形产生应力，这样由于压电效应在压电折叠梁两侧产生压电电荷，通过压电折叠梁两侧的电极由电源管理电路收集。同时，由于在底板和盖板上设置感应线圈，这样当磁性球体运动时，一方面可以对压电折叠梁施加作用力，另一方面由于磁性球的运动其磁场也发生变化，这样在上下螺旋线圈内由于磁通量变化而产生感应电动势，可以同时利用压电效应和电磁效应进行振动能量采集，采集效率更高。

在本实施例中，增加了螺旋线圈和磁性球，这样磁性的球体运动时一方面给折叠压电梁产生作用，另一方面在螺旋线圈里面产生感应电动势。进一步地，加上磁铁块，一方面调节了磁性球体的受力，另一方面在螺旋线圈中增加感生电动势。本实施例中当磁性球体运动时，一方面可以对压电折叠梁施加作用力，另一方面由于磁性球的运动其磁场也发生变化，这样在上下螺旋线圈内由于磁通量变化而产生感应电动势，这一种结构可以同时利用压电效应和电磁效应进行振动能量采集，采集效率更高。

其他结构与实施例1相同。

实施例3

如图1、图2、图3和图4所示，一种振动能量采集器，包括支架1，支架1上方设有盖板2，支架1下方设有底板3，所述盖板2和底板3的内表面上设有螺旋线圈4。支架1是呈圆柱筒形的支架，便于将折叠压电梁5设置在支架1上。支架1内设有4个均匀分布的折叠压电梁5。折叠压电梁5的数量设有4个，折叠压电梁5沿支架1圆周均匀分布，4个折叠压电梁5在同一个平面上、且该平面与螺旋线圈4平行，使得每个折叠形压电梁5在工作中能够尽量均匀的收到支架1的中部。折叠压电梁5的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁5的固定端固定在支架1上，折叠压电梁5的悬臂端延伸至支架1的中部。折叠压电梁5的悬臂端均固定有挡块6，挡块6围成的中心设有磁化的球体7。球体7沿其径向磁化，球体7内侧面的磁极极性与球体7外侧面的极性相同，它们之间产生磁性排斥力，有利于球体回到其中央位置。所述球体7与挡块6之间设有间距，挡块6之间设有间距，给球体7提供活动空间。

4个挡块6合围成的结构将球体7包围，但是这4个挡块6并不构成一个整体圆环，相邻两个挡块6两端设有间距，这样便于挡块6随折叠压电梁5一起运动，折叠形压电梁5的两侧面设有电极，实际应用时该电极与电源管理电路相连接。盖板2和底板3上设有螺旋线圈4，底板和盖板设置螺旋线圈4的一侧设有覆盖层，覆盖层厚度比螺旋线圈4的厚度大，覆盖层由绝缘材料氧化铝构成，覆盖层一方面避免球体7与螺旋线圈4之间的直接接触、为螺旋线圈4提供绝缘，另一方面减小球体7与底板3、盖板2之间的摩擦力。

球体7是磁性球体，具体还可以采用多个球壳形磁铁块拼接在一起构成一个磁性球壳，其磁化方向沿其半径方向。如果需要调节其重量，可以在球壳内部设置铁球或镍球，构成一个导磁球体加磁性外壳的结构，不会减弱磁体的磁性。

折叠压电梁5通过螺栓与支架1相连接，便于调节折叠压电梁5伸出的长度，进而调节折叠压电梁的振动频率，可以调节本发明到最佳工作频率，与环境振动激励相匹配。折叠压电梁5端部与支架1的连接方式还可以是卡簧或固定销等可调节连接方式。挡块6采用磁能积强的钕铁硼磁体。挡块6通过螺纹连接或固定销与折叠压电梁5的悬臂端相连接。折叠压电梁5悬臂端设置的挡块6与球体7面靠近的侧面也可以平面，采用弧形面可以有利于使球体7在折叠压电梁5的反作用下回到支架1的中心位置，避免球体脱离中央区域。

球体7也可采用钐钴永磁体，这种材料加工性能好，折叠压电梁5也采用聚合物压电材料PVDF构成，其柔性比PZT更好，但其压电系数较小。

其他结构和工作过程和实施例2相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动能量采集器，包括支架（1），支架（1）上方设有盖板（2），支架（1）下方设有底板（3），其特征在于：所述支架（1）内设有至少3个折叠压电梁（5），折叠压电梁（5）的两侧面设有电极，折叠压电梁（5）的折弯部之间设有间距，折叠压电梁（5）的两端为固定端和悬臂端，折叠压电梁（5）的固定端固定在支架（1）上，折叠压电梁（5）的悬臂端延伸至支架（1）的中部，折叠压电梁（5）的悬臂端围成的空间内设有球体（7），折叠压电梁（5）的悬臂端之间设有间距，球体（7）与折叠压电梁（5）的悬臂端设有间距。

2.根据权利要求1所述的振动能量采集器，其特征在于，所述折叠压电梁（5）的悬臂端均固定设有挡块（6），挡块（6）围成的中心设有球体（7），球体（7）与挡块（6）之间设有间距，挡块（6）之间设有间距。

3.根据权利要求2所述的振动能量采集器，其特征在于，所述挡块（6）为圆弧形的挡块，挡块（6）的内凹侧与球体（7）相对。

4.根据权利要求1或3所述的振动能量采集器，其特征在于，所述盖板（2）和底板（3）的内表面上设有螺旋线圈（4），螺旋线圈（4）两端设有引出线，球体（7）为磁化的球体；所述球体（7）呈半径方向磁化，球体（7）的中心为一个磁极，球体（7）外侧的磁极与球体中心的磁性相反。

5.根据权利要求4所述的振动能量采集器，其特征在于，所述挡块（6）为磁铁块，挡块（6）靠近球体（7）外侧的磁机与球体（7）外侧的磁极相同。

6.根据权利要求1或5所述的振动能量采集器，其特征在于，所述支架（1）是呈圆柱筒形的支架，折叠压电梁（5）的数量设有4个，折叠压电梁（5）沿支架圆周均匀分布，4个折叠压电梁（5）在同一个平面上、且该平面与螺旋线圈（4）平行。

7.根据权利要求1或5所述的振动能量采集器，其特征在于，所述折叠压电梁（5）的横截面从悬臂端到固定端逐渐减小。

8.根据权利要求1所述的振动能量采集器，其特征在于，所述的折叠压电梁（5）通过可调节连接方式与支架（1）相连接。

9.根据权利要求6所述的振动能量采集器，其特征在于，所述球体（7）位于支架（1）的中心，所述螺旋线圈（4）设置在盖板（2）和底板（3）的中心。

10.根据权利要求4所述的振动能量采集器，其特征在于，所述盖板（2）和底板（3）上设有若干个螺旋线圈（4），每个折叠压电梁悬臂端的上方和下方均设有螺旋线圈（4）；所述盖板（2）和底板（3）上的螺旋线圈（4）上设有覆盖层，覆盖层厚度比螺旋线圈（4）的厚度大，覆盖层由绝缘材料构成。