CN106877740A - 复合式俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明是复合式俘能器，包括悬臂梁(1)、中心质量块结构(2)、永磁铁基座(3)、圆环(5)，其中：悬臂梁(1)有多根，均匀分布，并且其外端与圆环(5)的内侧面焊接相连，其内端与中心质量块(2)侧部焊接相连，由此形成一体结构；永磁铁基座(3)通过多根立杆(4)与圆环(5)进行焊接；该俘能器的单个组元设计成对称结构，所述一体结构关于永磁铁基座(3)镜面对称。本发明将压电式、磁电式、磁致伸缩等多种发电方式有机结合在一起，充分利用了能源与空间；优化设备结构后，可俘获一定范围内更多的振动能量，增大发电效率；采用频率相似的工作环境中装置的互换性，使本发明的可利用性增大，其产生的电能用于向车载设备供电。
Description
技术领域
本发明涉及俘能器，具体的说就是集压电、磁电、磁致伸缩三种发电方式为一体的新型俘能器。
背景技术
随着人们对环境问题的关注以及对新能源的渴望，新型环保的能量采集技术成为国内外研究学者探究的热点；同时随着对半导体元件的集成化研究的不断深入，将振动机械能通过采集技术转化为电能并为微机电系统供电成为可能。近年来，越来越多的研究人员致力于利用环境振动能量来发电的研究工作，并生产相应的产品投入到现实生活中去。例如麻省理工学院的John Kymissis等人设计发明的自发电鞋垫；Soon-Duck Kwon设计了一款电磁式低频振动发电装置用来采集汽车引发的桥梁振动能。
对于人类正常生活中的振动微能源，我们聚焦于汽车发动机的振动能量流失。汽车的使用在生活中日趋广泛，据统计中国大中型城市家庭汽车的拥有率在60％以上，中小城市家庭汽车拥有率在20％以上，农村家庭汽车拥有率在5％以上。汽车中振动频率较低的在40～50Hz，大型车辆中振动频率较高的能达到100Hz，甚至更高。将汽车发动机上所产生的能量损失利用起来将是能源利用上一个不小的突破。现今中国还没有专门的针对汽车发动机振动能量损失所进行的深入研究。
按照能量采集原理的不同，目前振动发电装置大致可分为静电式、电磁式、压电式和磁致伸缩式四种形式。其中压电式振动能量采集装置的工作原理是依据压电材料的压电效应，即通过压电陶瓷的振动来实现机械能与电能之间的转换，在其中最为广泛也最受关注；在压电薄膜材料中，PZT是最受关注的，也正是新型俘能器所需要的。PZT薄膜是一种钙钛矿结构的铁电性薄膜材料，它具有高的介电常数，低的声波速度，高的耦合系数，它的横向压电系数和纵向压电系数都是很高的，因此，PZT薄膜材料被视为最有前途的压电薄膜材料。基于PZT薄膜的新型俘能器的研究和开发开始于上世纪80年代，已经取得了一系列丰富的成果。而磁致伸缩式能量采集装置工作原理是在外界的压应力作用下，超磁致伸缩材料内部的磁通密度会发生变化，超磁致伸缩材料外部的感应线圈上能产生感应电动势，从而使项机械能向电能转换。
针对此问题，本发明提出一种多悬臂梁－中心质量块结构的新型复合式新型俘能器，从振动的角度以提高装置的发电性能，并预想把它运用到汽车发动机上。这种复合式新型俘能器能有效地把振动能这种微能源利用起来，通过自身，环境振动使中心质量块振动，PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差；同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势，并且磁通密度的变化使得超磁致伸缩材料外部感应线圈产生电流，将压电转换，磁电转换及磁致伸缩转换相结合把振动能转换为电能。本发明将这种复合式新型俘能器件运用到汽车发动机上，利用其原理及特性，将发动机振动损失的能量有效的利用起来，从而达到能源的多次利用。汽车发动机振动能的再利用将成为新能源利用的重大突破。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的不足，提供一种集压电、磁电、磁致伸缩三种发电方式为一体的复合式新型俘能器。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的复合式俘能器，其包括悬臂梁、中心质量块结构、永磁铁基座、圆环，其中：悬臂梁有多根，均匀分布，并且其外端与圆环的内侧面焊接相连，其内端与中心质量块侧部焊接相连，由此形成一体结构；永磁铁基座通过多根立杆与圆环进行焊接；该俘能器的单个组元设计成对称结构，所述一体结构关于永磁铁基座镜面对称。
所述多根悬臂梁，其结构和物理性能完全相同；每根悬臂梁表面涂覆有异质集成的磁致伸缩—压电复合材料层。
所述的磁致伸缩材料采用Terfenol-D材料，压电材料采用PZT陶瓷材料。
所述的PZT陶瓷材料采用PZT-5H材料。
所述的中心质量块设计成圆柱体形结构，内部嵌入环形的电磁感应体。
将所述的永磁体基座设计成圆形结构，置于单一组元的中间，并通过多根立杆与悬臂梁以及中心质量块结构相连接。
本发明提供的上述的复合式俘能器，其是压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，其产生的电能用于向车载设备供电。
本发明提供的复合式俘能器，其采用组网模式向车载设备供电，具体是：将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组平行粘在板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机壳体上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能；每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池，从而实现为车载设备供电的目的。
所述板由木质材料制成。
所述粘结剂为环氧树脂胶。
本发明采用的技术方案是：
本发明的复合式新型俘能器，其主要结构包括三个部分:悬臂梁、中心质量块结构、永磁铁和基座。为提高压电发电效率，我们设计多根长度宽度相等、物理性能完全相同的悬臂梁，悬臂梁直接连接中心质量块。同时，每根悬臂梁表面异质集成磁致伸缩—压电复合材料层，从而压电发电与磁致伸缩式发电相结合，完成复合能量输出连结。同时，由于单个俘能器产生电能较小，无法由单个器件为车载设备供电，故采用组网模式。我们是将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组平行粘在特定材料制成的板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能。每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池从而实现为车载设备供电的目的。
本发明的复合式新型俘能器所采用的压电材料为PZT陶瓷材料，与其他压电材料相比PZT陶瓷材料具有高的机电耦合系数、介电常数范围很宽、损耗低等优点。而且其制作方便、价格低廉，符合实验设备要求。实验所设计装置为微型俘能器，所选择压电材料需满足质量轻、体积小、对悬臂梁振动影响小等特点，故选用PZT压电薄膜。关于磁致伸缩材料美国能源部Ames实验室的科学家与Ames实验室的D.D.McMasters合作研究发现了磁晶各向异性补偿合金TbxDy1-xFe2(Terfenol-D)。通过分析实验材料的经济可行性以及我们设计的微型俘能器所要达到性能要求，我们最终决定采用Terfenol-D作为我们研究所使用的材料。
本发明基于压电发电、磁电发电、磁致伸缩发电三种发电原理，结合设计出一种高效复合式俘能器，有效的利用发动机振动损失的能量，从而达到能源的多次利用。
本发明与现有技术相比具有以下主要的有益效果：
1.将压电式、磁电式、磁致伸缩等多种发电方式有机结合在一起，充分利用了能源与空间；
2.优化设备结构，俘获一定范围内更多的振动能量，增大发电效率；现有的微型俘能器发电效率都在μW级,通过ANSYS分析计算，我们设计的复合式俘能器电能输出量至少是1.14*10^-4W/S。
3.研究频率相似的工作环境中装置的互换性，使本俘能器的可利用性增大。
附图说明
图1为本发明的复合式新型俘能器的立体结构图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的侧视图。
图中：1.悬臂梁；2.中心质量块；3.永磁铁基座；4.立杆；5.圆环。
具体实施方式
本发明提供的复合式俘能器，包括悬臂梁、中心质量块结构、永磁铁基座。将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组平行粘在特定材料制成的板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能。每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池，从而实现为车载设备供电的目的。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1：
本实施例提供的复合式俘能器，其结构如图1-图3所示，包括悬臂梁1、中心质量块结构2、永磁铁基座3、圆环5，其中：悬臂梁1有多根，均匀分布，并且其外端与圆环5的内侧面焊接相连，其内端与中心质量块2侧部焊接相连，由此形成一体结构，类似车轮形状。永磁铁基座3通过多根立立杆4(本实施例给出4根)与圆环5进行焊接。该俘能器的单个组元设计成对称结构，悬臂梁1以及中心质量块2结构关于永磁铁基座3镜面对称。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例2：
如图1和图2所示：为提高压电发电效率，设计多根长度宽度相等、物理性能完全相同的悬臂梁1，悬臂梁1直接连接中心质量块2。同时，每根悬臂梁1表面异质集成磁致伸缩—压电复合材料层，从而压电发电与磁致伸缩式发电相结合，完成复合能量输出连结。
所述悬臂梁1表面异质集成磁致伸缩—压电复合材料层，具体是PZT陶瓷材料和Terfenol-D，与其他压电材料相比PZT陶瓷材料具有高的机电耦合系数、介电常数范围很宽、损耗低等优点。而且其制作方便、价格低廉，符合实验设备要求。实验所设计装置为微型俘能器，所选择压电材料需满足质量轻、体积小、对悬臂梁振动影响小等特点，故选用PZT压电薄膜。关于磁致伸缩材料美国能源部Ames实验室的科学家与Ames实验室的D.D.McMasters合作研究发现了磁晶各向异性补偿合金TbxDy1-xFe2(Terfenol-D)。通过分析实验材料的经济可行性以及我们设计的微型俘能器所要达到性能要求，我们最终决定采用Terfenol-D作为我们研究所使用的材料。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例3：
因本俘能器需要以异质集成在悬臂梁1上的磁致伸缩—压电复合材料层载体进行共振式压电发电，因此需选出最优PZT压电薄膜材料，以求最高效率化发电。PZT-5H为高压电、高介电材料，且介电常数适中，不会因高驱动而产生过热的问题，输出功率大，符合本实验材料要求。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例4：
中心质量块2设计成圆柱体形结构，内部嵌入环形的电磁感应体，所述电磁感应体是由多个电磁感应线圈和一个磁铁组成的。当悬臂梁1受振动影响时将带动环形的电磁感应线圈上下振动，实现磁电发电。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例5：
如图1和图3所示：将永磁体基座3设计成圆形结构，置于单一组元的中间，并通过多根立立杆4与悬臂梁1以及中心质量块结构2相连接。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例6：
由于单个俘能器产生电能较小，无法由单个器件为车载设备供电，因此，我们优化了设备结构，为了俘获一定范围内更多的振动能量，增大发电效率，故采用组网模式。
所述组网模式具体为：将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组利用粘结剂平行粘在特定材料制成的板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能。每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池从而实现为车载设备供电的目的。
所述板由木质材料制成。
所述粘结剂为环氧树脂胶。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例7：
将数个图1所示的俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组利用粘结剂平行粘在板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能。
所述板由木质材料制成。
所述粘结剂为环氧树脂胶。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
实施例8：
每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池从而实现为车载设备供电的目的。
此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，用于为车载设备供电。
本发明提供的复合式俘能器，其工作过程是：将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组平行粘在特定材料制成的板上，并将粘有俘能器的板固定于汽车发动机上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能。每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池从而实现为车载设备供电。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种复合式俘能器，其特征是包括悬臂梁(1)、中心质量块结构(2)、永磁铁基座(3)、圆环(5)，其中：悬臂梁(1)有多根，均匀分布，并且其外端与圆环(5)的内侧面焊接相连，其内端与中心质量块(2)侧部焊接相连，由此形成一体结构；永磁铁基座(3)通过多根立杆(4)与圆环(5)进行焊接；该俘能器的单个组元设计成对称结构，所述一体结构关于永磁铁基座(3)镜面对称。
2.根据权利要求1所述的复合式俘能器，其特征是所述多根悬臂梁(1)，其结构和物理性能完全相同；每根悬臂梁(1)表面涂覆有异质集成的磁致伸缩—压电复合材料层。
3.根据权利要求2所述的复合式俘能器，其特征是磁致伸缩材料采用Terfenol-D材料，压电材料采用PZT陶瓷材料。
4.根据权利要求3所述的复合式俘能器，其特征是PZT陶瓷材料采用PZT-5H材料。
5.根据权利要求1所述的复合式俘能器，其特征是中心质量块(2)设计成圆柱体形结构，内部嵌入环形的电磁感应体。
6.根据权利要求1所述的复合式俘能器，其特征是将永磁体基座(3)设计成圆形结构，置于单一组元的中间，并通过多根立杆(4)与悬臂梁(1)以及中心质量块结构(2)相连接。
7.权利要求1至6中任一所述复合式俘能器的应用，其特征是此种为压电式、磁电式、磁致伸缩一体结构的复合式俘能器，其产生的电能用于向车载设备供电。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征是采用组网模式向车载设备供电，具体是：将数个俘能器并行排列，形成单元组，将每个单元组平行粘在板上，并将粘有俘能器的该板固定于汽车发动机壳体上方，由汽车发动时产生的振动带动俘能器振动，产生电能；每个俘能器产生的电能由导线连接输出，通过导线线路设计实现电能的串联输出，最终将所得全部电能供给车载蓄电池，从而实现为车载设备供电的目的。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征是所述板由木质材料制成。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征是所述粘结剂为环氧树脂胶。
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2017
- 2017-03-22 CN CN201710173761.0A patent/CN106877740A/zh active Pending
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