CN106992714B - 一种电磁压电复合式便携充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种电磁压电复合式便携充电装置，包括柔性外壳，以及设置在柔性外壳内的一个或一个以上的能量收集单元；能量收集单元包括一板状的柔性压电元件；柔性压电元件呈水平放置，柔性压电元件的一侧表面设有块状的永磁体，柔性压电元件的另一侧表面设有平面感应线圈；柔性压电元件包括一板状的弹性梁，弹性梁的两侧表面均涂覆有柔性压电材料。本发明设计了一种电磁压电复合式便携充电装置，可通过上下摇动或左右压缩等方式产生电能，实现多方向振动能量收集。本发明结构简单，实用性强，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集。通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下为便携式电子设备供能，是一种绿色能源。
Description
技术领域
本发明属于震动能量收集领域，具体涉及一种电磁压电复合式便携充电装置。
背景技术
随着电子技术的进步和发展，人们已经进入了电子时代。便携式电子设备如智能手机和平板电脑越来越普及，为人类生活提供了很多便利。但是这些便携式电子设备大多采用可充电电池供能，可充电电池虽可以提供稳定的电能，但是其容量有限，在无外部供电的情况下使用期限有限。为了延长这些便携式电子设备中的可充电池的一次充电后的使用时间，以充电宝为代表的充电装置也随之普及，如专利CN106253377A提供了一种充电宝，其包括电源本体和支架，该充电宝利用支架连接电源本体，通过弧形弹性夹板夹持电子设备并供能，但是该充电宝的电源本体为蓄电池，不仅体积较大不易携带，而且蓄电池的续航时间有限。如专利CN205882774U提供了一种充电宝，包括第一输入接口、第二输入接口、蓄电池、输出接口、快充电路、充放电路以及控制电路，虽然可以实现快速充电的功能，但是该充电宝制作复杂，所使用的电池容量有限。目前的充电宝是通过容量很大的可充电电池存储电能，不仅体积较大不易携带，而且续航时间也是有限的。
发明内容
本发明为了解决以充电宝为代表的充电装置因采用容量很大的可充电电池存储电能，造成体积较大不易携带，而且续航时间有限等缺陷提出了一种免充电电池的便携式充电装置。该充电装置利用电磁压电复合式振动能量收集技术增加能量转换效率并具有宽频发电的能力。该充电装置通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下为便携式电子设备供能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：包括柔性外壳，以及设置在柔性外壳内的一个或一个以上的能量收集单元；能量收集单元包括一板状的柔性压电元件；柔性压电元件呈水平放置，柔性压电元件的一侧表面设有块状的永磁体，柔性压电元件的另一侧表面设有平面感应线圈；柔性压电元件包括一板状的弹性梁，弹性梁的两侧表面均涂覆有柔性压电材料。
本发明在工作过程中，外界环境中的振动会使柔性矩形板产生形变，柔性矩形板发生形变使贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件产生电能，柔性压电元件产生的电能可通过导线输入到相应电路中处理后输出。
本发明的有益效果包括：
1.本发明设计了一种电磁压电复合式便携充电装置，可通过上下摇动或左右压缩等方式产生电能，实现多方向振动能量收集。
2.本发明相比以充电宝为代表的充电装置不需要采用可充电电池存储电能，其体积较小方便携带，而且不存在续航时间有限等缺陷。
3.本发明在充分考虑压电式能量收集结构的基础上复合了电磁式能量收集，提高装置的输出电量和功率。
4.本发明的能量收集单元具有不同的固有频率，本发明通过阵列排布能量收集单元增加了能量转换效率并具有宽频发电的能力。
5.本发明利用所述柔性外壳固接所述弹性梁两端可构成双稳态结构增加所述弹性梁表面所述柔性压电材料应力和所述块状永磁体的振动位移，提高了能量收集的效率。
6.本发明结构简单，实用性强，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集。通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下为便携式电子设备供能，是一种绿色能源。
附图说明
图1为实施例1的电磁压电复合式便携充电装置的结构示意图。
图2为实施例1的电磁压电复合式便携充电装置的纵向剖视图。
图3为实施例1的柔性压电元件的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为柔性外壳，11为顶面，12为底面，13为侧面，2为能量收集单元，21为柔性压电元件，211为弹性梁，212为柔性压电材料，22为平面感应线圈，23为永磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的实例，其结构示意图如图1中所示。
如图1和图2所示，一种电磁压电复合式便携充电装置，包括柔性外壳1，以及设置在柔性外壳1内的一个或一个以上的能量收集单元2。本发明对能量收集单元的数量不做限制，可以根据实际情况进行选择。
如图3所示能量收集单元2包括一板状的柔性压电元件21，柔性压电元件21呈水平放置。柔性压电元件21的一侧表面设有块状的永磁体23，在本实施例中，永磁体23通过固定连接的方式设置在柔性压电元件21底面的中部；柔性压电元件21的另一侧表面设有平面感应线圈22，在本实施例中，平面感应线圈22通过电镀或胶接等的方式设置在柔性压电元件21顶面的中部。本发明对永磁体23和平面感应线圈22在柔性压电元件21侧面的位置不做具体限定，也可以替换为永磁体23设置在柔性压电元件21的顶面，平面感应线圈22设置在柔性压电元件21的底面。在永磁体23和平面感应线圈22位置时，最好保证磁铁间相互排斥，防止粘合。柔性压电元件21包括一板状的弹性梁211，弹性梁211的两侧表面均涂覆有柔性压电材料212。
在本实施例中，柔性外壳1的外形呈六面体。柔性外壳1的顶面11和底面12与水平面平行；柔性外壳1的一侧面13呈内凹的弧面，柔性外壳1相对应的另一侧面13也呈内凹的弧面。弹性梁211的一端与柔性外壳1的一侧弧面13固定连接，弹性梁211的另一端与柔性外壳1的另一侧弧面13固定连接。
柔性外壳1弧面设计一方面是为了方便使用者持握，另一方面是为了使便携式充电装置内部的柔性压电元件长度不同，使其具有不同的固有频率，从而拓宽了便携式充电装置具有宽频发电的能力。
在本实施例中，能量收集单元2的数量为三个，三个能量收集单元2由上至下依次排列，相邻能量收集单元2之间的间距相同。
本发明对柔性外壳1、平面感应线圈22、永磁体23、弹性梁211以及柔性压电材料212的具体形状和材质不做具体限定，本领域内的技术人员可以根据实际情况选择制造材料。在本实施例中，为更好地说明本发明，柔性外壳1采用硅胶制成，但不限于此，也可以替换为弹性橡胶等其他弹性高分子材料制造；平面感应线圈22由导线环形缠绕制成，为螺旋线圈结构；永磁体23为钕铁硼立方形永磁铁；弹性梁211的材料为弹簧钢等弹性金属材料；柔性压电材料212为聚偏氟乙烯(PVDF)等柔性压电材料。
本实施例的工作原理在于：
电磁压电复合式便携充电装置可实现多方向振动能量收集，通过上下摇动或左右压缩等方式产生电能，利用所述能量收集单元2中所述柔性压电元件21弯曲变形和平面感应线圈22磁通量的变化产生电荷并通过导线输出。当上下摇动或左右压缩本发明提供的电磁压电复合式便携充电装置，电磁压电复合式便携充电装置内的块状永磁体23往复振荡，相邻永磁体23彼此间的排斥力会增大往复位移，永磁体23的往复振荡会带动弹性梁211的弯曲变形，弹性梁211表面粘接的柔性压电材料212受到应力产生电势差，柔性压电材料212表面产生的电能可通过导线并联输出。永磁体23的往复振荡也会使平面感应线圈22的磁通量发生变化产生感应电流，平面感应线圈22产生的电能可通过导线串联输出。
本实施例的有益效果在于：
本发明在充分考虑压电式能量收集结构的基础上复合了电磁式能量收集，利用柔性外壳1固接所述弹性梁211两端可构成双稳态结构增加弹性梁211表面柔性压电材料212应力和永磁体23的振动位移提高输出功率，增加能量转换效率并具有宽频发电的能力。
下面给出一个电磁压电复合式便携式充电装置的具体尺寸实例：
柔性外壳1底面长80mm、宽40mm和侧边高度为120mm时；包括上中下三层能量收集单元2，上中下三个柔性压电元件21的尺寸(长宽高)分别为60*40*10mm；40*40*10mm和60*40*10mm，平面感应线圈22所占区域面积尺寸均为半径为10mm的圆。永磁体23(长宽高)尺寸均为5*5*5mm。
根据实验计算，三个能量收集单元2沿着侧面高度方向等距对称分布时，使用者用手上下摇动电磁压电复合式便携充电装置时产生的最大输出电压可以达到3V以上，使用者用手左右压缩电磁压电复合式便携充电装置时产生的最大输出电压可以达到4V以上，可以满足便携式电子产品如手机等电子设备的供能电压要求。
本发明通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下为便携式电子设备供能，是一种绿色能源。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
包括柔性外壳，以及设置在所述柔性外壳内的一个或一个以上的能量收集单元；所述能量收集单元包括一板状的柔性压电元件；所述柔性压电元件呈水平放置，所述柔性压电元件的一侧表面设有块状的永磁体，所述柔性压电元件的另一侧表面设有平面感应线圈；
所述柔性压电元件包括一板状的弹性梁，所述弹性梁的两侧表面均涂覆有柔性压电材料；
所述柔性外壳的外形呈六面体；
所述柔性外壳的顶面和底面与水平面平行；
所述柔性外壳的一侧面呈内凹的弧面，所述柔性外壳相对应的另一侧面也呈内凹的弧面；
所述弹性梁的一端与所述柔性外壳的一侧弧面固定连接，所述弹性梁的另一端与所述柔性外壳的另一侧弧面固定连接。
2.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述能量收集单元的数量为三个，所述三个能量收集单元由上至下依次排列，相邻能量收集单元之间的间距相同。
3.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述柔性外壳由硅胶或弹性橡胶材料制造。
4.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述平面感应线圈由导线环形缠绕制成，为螺旋线圈结构。
5.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述永磁体为钕铁硼立方形永磁铁。
6.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述弹性梁的材料为弹簧钢。
7.根据权利要求1所述的电磁压电复合式便携充电装置，其特征在于：
所述柔性压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF)。
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