CN106887973A - 一种基于磁力作用的平行复合梁压电‑电磁俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁力作用的平行复合梁压电‑电磁俘能装置，包括壳体、两组相互平行的复合梁、两个永磁体和两个感应线圈；其中，两个感应线圈分别设置在相对的壳体内侧壁上，两组复合梁设置在两个感应线圈之间，每组复合梁包括多个悬臂梁及与该多个悬臂梁的一端所连接的一个基底，悬臂梁的另一端固定连接在壳体的内侧壁上，两个永磁体分别设置在两组复合梁中的基底上、且各自正对着一个感应线圈，悬臂梁的上下表面均设有压电片。本发明的压电发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动能量回收。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别是一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置。
背景技术
信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。因此寻找可替代能源成为当今研究的热点。其中可行的方法是从周围环境振动中俘获能量。在我们生活环境的周围，存在着各种各样的废弃的能量，例如太阳能、压力能、机械振动能等。太阳能和压力能虽然其能量密度比较高，但是由于其能量采集和供给技术的限制很难被广泛的应用到生活中。
比较上述能量采集方法，压电材料具有能耗低，易于微型化等特点，压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，因此压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。但目前现有压电振动发电装置还存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，本发明的压电发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动能量回收。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，包括壳体、两组相互平行的复合梁、两个永磁体和两个感应线圈；其中，
两个感应线圈分别设置在相对的壳体内侧壁上，两组复合梁设置在两个感应线圈之间，每组复合梁包括多个悬臂梁及与该多个悬臂梁的一端所连接的一个基底，悬臂梁的另一端固定连接在壳体的内侧壁上， 两个永磁体分别设置在两组复合梁中的基底上、且各自正对着一个感应线圈，悬臂梁的上下表面均设有压电片。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，所述悬臂梁呈等腰梯形。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，所述悬臂梁的尺寸均相同。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，所述压电片的形状与悬臂梁的形状相同。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，基底为正n边形基底，每组复合梁包括m个等腰梯形的悬臂梁，n为大于2的整数，m为大于1且小于（n+1）整数。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，n、m均为4。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，压电片是通过导电胶粘在悬臂梁的上下表面。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用串联结构。
作为本发明所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置进一步优化方案，悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用并联结构。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明装置采用的等腰梯形悬臂梁获得较为均匀的应力分布和较大的应力值，四个梁的新型结构可以使压电装置在低频范围内存在多阶谐振频率，并且各阶谐振频率之间的差值较小，拓宽了频带，使其对低频环境的适用性更广；
（2）两组新型平行复合梁存在不同的谐振频率，由于上下永磁铁存在相互排斥或者相互吸引的作用力关系，使得能量得以从较低频率的新型复合梁传输到较高谐振频率的新型复合梁，使其宽频适用性更广；
（3）悬臂梁自由端上下表面放置永磁铁，其中永磁铁可以被当做质量块，可以降低悬臂梁的谐振频率，使其对低频环境的适应性更强；压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。
附图说明
图1是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的新型复合梁与永磁铁结构图；
图2 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的新型复合梁与永磁铁俯视图；
图3 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的整体主视图；
图4 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的两组平行新型复合梁、永磁铁与感应线圈结构图；
图5 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的整体线架图。
图中的附图标记解释为：a、b、c和d均是悬臂梁，1是壳体，2是感应线圈，5和6分别是两组复合梁的基底，4是压电片，3和7均是永磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1、图2所示，新型压电结构复合梁包括：
复合梁中心位置是一个正四边形，放置有永磁铁，悬臂梁a、b、c、d是规格相同的等腰梯形的悬臂梁（由于悬臂梁a、b、c、d的规格都是相同的，所以下面中均以悬臂梁a为例进行说明）。当壳体受到振动源的激励后，壳体可以使向四周扩散的振动能传递到悬臂梁a、b、c、d上，可以更好的利用环境振动能量，提高能量利用率。对于悬臂梁a的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁a的结构是在保证悬臂梁可以正常工作的情况下，悬臂梁的长度要长，可以降低悬臂梁的谐振频率；四个梁通过基底复合在一起，可以使悬臂梁在低频范围内可以出现多阶谐振频率，也可以降低各阶谐振频率之间的差值，使其对低频环境的适用性更广；可通过调整压电片与悬臂梁的厚度比、中心永磁铁的质量调节两组平行新型复合梁各自的谐振频率，使其更适应低频环境。
如图3所示，一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置，图4 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的两组平行新型复合梁、永磁铁与感应线圈结构图；图5 是一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的整体线架图。本发明包括：
1是壳体，2是感应线圈，除了1和2剩下的部分是图1中两组平行新型复合梁的整体结构。其中，5和6分别四两组新型复合梁的基底，4是粘贴在新型复合梁基底上下表面的压电片，压电片几何形状和复合梁基底的几何形状相同；3和7是放置在复合梁中心位置的永磁铁；
本发明提供的一种基于磁力作用的新型平行复合梁压电-电磁俘能装置的工作过程如下：外界力作用在基底上时，基底会把振动能量传递给四周的悬臂梁，悬臂梁振动会带动着悬臂梁基底弯曲，产生形变，那么粘贴在悬臂梁上下表面的压电片也会随之产生形变，由于压电片是具有压电效应的压电材料，当压电片产生形变时会引起压电片表面的带电粒子偏离平衡位置，进而压电片的上下表面就会产生电势差；另外，悬臂梁的振动也会带动自由端的永磁铁上下运动，根据法拉第电磁感应，闭合的感应线圈也会产生感应电动势，由于上下永磁铁存在相互排斥或者相互吸引的作用力关系，使得能量得以从较低频率的新型复合梁传输到较高谐振频率的新型复合梁，使其宽频适用性更广，与无磁力作用的相同谐振频率悬臂梁结构俘能装置比较，本发明装置的电磁发电能力显著提高。
本发明的压电结构悬臂梁，以正四边形为中心，每条边向外延伸一条等腰梯形的悬臂梁。正四边形的中心可以使向四周扩散的振动能传递到每一个梁上，可以更好的利用环境振动能量，提高能量利用率；对于悬臂梁的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁的结构是在保证悬臂梁可以正常工作的情况下，悬臂梁的长度要长，可以降低悬臂梁的谐振频率；四个梁通过中心复合在一起，可以使悬臂梁在低频范围内可以出现多阶谐振频率，也可以降低各阶谐振频率之间的差值，拓宽其频带；两组新型复合梁具有不同的谐振频率，且平行靠近放置，可通过调整压电片与悬臂梁的厚度比、中心永磁铁的质量调节两组平行新型复合梁各自的谐振频率，使其对低频环境的适用性更广。
用导电胶把压电片分别粘在等腰梯形悬臂梁的上下表面，上下两个双晶片可以采用串联和并联结构。若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。
上下永磁铁，把永磁铁放置在悬臂梁的自由端的上下面上，上下永磁铁一方面可以用于悬臂梁自由端的质量块，降低悬臂梁的谐振频率，另一方面，当悬臂梁振动时，感应线圈会产生感应电动势；永磁铁上下运动也会带动悬臂梁的上下运动，悬臂梁就会产生形变，由于正压电效应，悬臂梁上下表面的压电片就会产生电势差；由于上下永磁铁存在相互排斥或者相互吸引的作用力关系，使得能量得以从较低频率的新型复合梁传输到较高谐振频率的新型复合梁，使其宽频适用性更广。
上下感应线圈，把感应线圈缠绕在悬臂梁自由端的上下永磁铁四周，其中上下感应线圈通过刚性较强的线连接在一起，当悬臂梁振动时，悬臂梁自由端的永磁铁也会跟着上下运动，通过感应线圈的磁通量就会发生变化，感应线圈便会产生感应电动势。
综上所述，本发明装置采用的等腰梯形悬臂梁获得较为均匀的应力分布和较大的应力值，四个梁的新型结构可以使压电装置在低频范围内存在多阶谐振频率，并且各阶谐振频率之间的差值较小，拓宽其频带，使其对低频环境的适用性更广；新型平行复合梁中的上下复合梁具有不同的谐振频率，可通过改变压电片与悬臂梁的厚度比、永磁铁的质量降低复合梁各自的谐振频率，使低频适应性更好；悬臂梁自由端上下表面放置永磁铁，平行复合梁中心放置有上下永磁铁，上下永磁铁间存在磁力作用，当壳体处于低频振动环境中时，具有较低谐振频率的新型复合梁能持续将能量传递给较高谐振频率的新型复合梁，使整体的宽频输出能力更好；上、下永磁铁的上、下方放置有感应线圈且固定在壳体上，当永磁铁随复合梁上下振动时，感应线圈的磁通量发生变化产生感应电动势，进一步提高输出能力。压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，包括壳体、两组相互平行的复合梁、两个永磁体和两个感应线圈；其中，
两个感应线圈分别设置在相对的壳体内侧壁上，两组复合梁设置在两个感应线圈之间，每组复合梁包括多个悬臂梁及与该多个悬臂梁的一端所连接的一个基底，悬臂梁的另一端固定连接在壳体的内侧壁上， 两个永磁体分别设置在两组复合梁中的基底上、且各自正对着一个感应线圈，悬臂梁的上下表面均设有压电片。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁呈等腰梯形。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁的尺寸均相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述压电片的形状与悬臂梁的形状相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，基底为正n边形基底，每组复合梁包括m个等腰梯形的悬臂梁，n为大于2的整数，m为大于1且小于（n+1）整数。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，n、m均为4。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，压电片是通过导电胶粘在悬臂梁的上下表面。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用串联结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁力作用的平行复合梁压电-电磁俘能装置，其特征在于，悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用并联结构。
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