CN107086649B - 一种电磁压电复合式波浪能收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁式压电复合式波浪能收集装置，属于能量收集装置设计制造技术领域。它能实现采集波浪起伏的振动能量来代替传统电池对海洋监测无线传感器等微器件进行永久性供电。包括电磁式能量收集结构和压电式能量收集结构，底座两端分别设有一对压电双晶片悬臂梁结构，一对矩形磁铁敷设于压电双晶片之上，底座平板部分设有两组支撑架，设在支撑架中的圆筒状保护筒两端分别通过凸缘和防护网固定，保护筒至于压电双晶片悬臂梁结构中间；保护筒内设有线圈筒，线圈筒长度与保护筒一致，线圈敷设于线圈筒之上，线圈筒内设有磁振子，磁振子上下侧设有两对滚轮。主要用于海洋无线传感器供电。
Description
技术领域
本发明属于能量收集装置设计制造领域。
背景技术
随着社会的发展，开发新能源已经成为社会进步的必然途径。一方面来看，工农业生产所需的能量来源主要是石油、煤、天然气等。根据目前能源的消耗速度，在不久的将来，石油、煤、天然气等能源必将耗尽；另一方面，随着科技的发展，电子产品正不断地趋向于微型化和集成化，极大推动低功耗无线传感器网络和微机电系统的迅速发展，其供电问题正成为其进一步发展的很大障碍。传统的电化学电池供电方式存在着寿命短、需要经常更换、储存能量有限等缺点，且在某些条件下更换电池过程复杂，成本很高或者根本就不可能实现更换。另外，在设备监测与故障诊断的应用中，电池电量用完且又无法及时更换会造成严重的后果。针对上述问题，必须寻找一些新的电源替代传统电池。收集周围环境中的能量并转换成电能是一种代替传统供电方式的有效方式。能量收集器可以把环境中存在的能量转换成电能，正逐渐成为各国重视的一种新型环保能源。
据检索，目前已有的收集振动能量的自供电装置，如中国专利申请号为201510881581.9公开的“一种采用变速齿轮加速的便携式压电电磁混合发电装置”，该专利所述的混合发电装置虽然能够实现野外或紧急情况下将机能转换成电能，但由于其所用变速齿轮传动冲击较大，产生很大的动载荷，齿轮传动单元通过击打压电陶瓷发电单元产生电荷对压电陶瓷发电片破坏很大；另外，该发明用了变速齿轮传动等传动机构，使总体结构比较复杂，对制造和安装精度有较高的要求，为最终实现增加难度。又如中国专利申请号为201510577272.2公开的“多方向振动能量收集转化装置”所示的振动能量收集方法是将电磁式能量收集装置与三维空间式的支撑构架相连，但其使用单一电磁效应发电装置能量收集效果差，且装置结构受环境影响较大，可靠性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁压电复合式波浪能收集装置，它能有效地实现代替传统电池供电方法对无线传感器等微器件进行蓄电，可保证紧急情况下传感器的供电，保证其在无线传感网络中的正常工作。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种电磁压电复合式波浪能收集装置，包括电磁式能量收集结构和压电式能量收集结构，其特征在于：球形外壳分为上外壳和下外壳，上外壳内设有上挡板，下外壳内设有下挡板，底座两端分别设有压电双晶片，一对矩形磁铁敷设于两端的压电双晶片内侧，底座平板部分设有两组支撑架，支撑架的护圈中设有圆筒状保护筒，两端分别通过凸缘和防护网固定，保护筒置于压电双晶片中间；保护筒内设有线圈筒，线圈筒长度与保护筒一致，线圈筒表面设有线圈，线圈筒内设有磁振子，磁振子的上、下侧设有两对轮滑，装置通过导线依次与整流器，蓄电池，传感器连接。
所述压电双晶片为矩形形状，共有两个，分别置于底座两端的凹槽内。
所述磁铁共有两块，均为矩形形状，它们分别与压电双晶片粘贴，与磁振子相对。
所述支撑架共有两个，上端为封闭式圆环形护圈，内侧与保护筒配合，下端为薄壁型，底面与底座上表面固定。
所述防护网共有两个，均为井字形，与保护筒两端通孔铰接。
所述压电双晶片材料为压电陶瓷。
所述上外壳和下外壳均为半球形，上挡板为圆形，下挡板为梯形。
所述轮滑轮缘的一侧与磁振子固结，轮缘的另一侧与线圈筒内壁的滑槽配合。
本发明的工作过程和工作原理：
将本装置至于海面上，可以使用绳子等工具将装置固定在某一点，在外界没有振动时，磁振子受到左右两侧磁体斥力相同，两侧磁铁与中间的磁振子处于一个平衡静止的状态，不会产生能量的转化必然不会产生电能，当波浪的起伏带来一定的振动时，在外力作用下磁振子与两侧磁体间的相对平衡被打破，磁振子相对导电线圈发生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，线圈中磁通量发生变化从而产生电信号。
同时，磁振子受同极磁体的斥力，磁体受到反作用力，压电片上的压电陶瓷受力，压电陶瓷即处于同频率的机械振动状态，压电片发生机械形变，使得压电片两个相对表面上出现相反的电荷从而形成电位差，实现将机械能转化为电能。
将电磁和压电部分得到的电能通过整流滤波转换为直流电并在蓄电池中积累。当无线传感器供电不足或系统故障，且无法及时得到电能补给时蓄电池将对无线传感器进行供电，以保证传感器在紧急情况下的正常工作使用。由于海洋环境复杂，海浪起伏无时无刻都在发生着，能够带来非常频繁的振动，因此装置可以一直处在发电—蓄电的过程。
本发明的有益效果是：
电磁式振动能量收集作为此自供电装置动力源的一部分，不需要智能材料，也无需驱动电源，适用于高频振动场合。压电式振动能量收集作为此自供电装置动力源的另一部分，结构体积小，不易发生误操作，可以完全密封，可靠性更高，适用于中高频振动场合。
通过收集电磁和压电两部分的电能为无线传感器进行供电不受昼夜变化、光照强度和温度等条件的影响。
本发明的巧妙之处在于采用了同名磁铁相斥的原理利用磁振子的运动影响压电片发生形变。这种方式不仅结构简单，而且巧妙地利用磁力使压电片产生另一部分电能。
此自供电装置使用的磁体及压电陶瓷均为无污染材料，且此装置结构小巧，可嵌入无线传感器中使用，也易于加工制作，与传统镍氢电池相比不产生任何化学毒性污染，对海洋无线传感器的使用以及海洋安全监测具有较高的使用价值。
附图说明
图1为本发明去除外壳后的整体结构立体示意图
图2为本发明外壳结构示意图
图3为本发明电磁发电装置的结构立体图
图4为本发明剖视图
图5为本发明内部结构俯视图
图6为本发明整体剖视图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
一种电磁式压电复合式波浪能收集装置，包括：
装置放置在球形外壳内，由上外壳11完成装置的密封保护，装置由下外壳12内圆形下挡板17和上外壳封口11内两块梯形的上挡板18固定，底座1两端分别设有一对压电双晶片8，一对矩形磁铁9敷设于压电双晶片8内侧，底座1平板部分设有两组电磁式能量收集结构的支撑架7，设在支撑架7护圈中的筒状保护筒4两端分别通过凸缘和防护网10固定，保护筒4至于压电双晶片8中间；保护筒4内设有线圈筒2，线圈筒2长度与保护筒4一致，线圈3敷设于线圈筒2之上，线圈筒内设有磁振子6，磁振子6上下侧设有两对滚轮5。装置通过导线16依次与整流器13，蓄电池14，传感器15连接。
所述压电双晶片悬臂梁结构8共有两个，分别布置于底座1两端凹槽内。
所述磁铁9共有两块，均为矩形形状，它们分别与压电双晶片悬臂梁结构8粘贴，与磁振子6相对。
所述支撑架7共有两个，上端为封闭式圆环形，内侧与保护筒4配合，下端为薄壁型，底面与底座1上表面铰接。
所述防护网10共有两个，均为井字形，与保护筒4两端通孔铰接。
所述压电双晶片8为矩形形状。
所述压电双晶片8材料为压电陶瓷。压电陶瓷压电性高，可提高装置能量收集效果。
分别设于底座上、并且分别位于磁振子两侧的两个双晶压电片，通过磁振子在滑槽内的运动控制其弯曲与否。
所述上外壳11和下外壳12均为半球形，上挡板17为圆形，下挡板18为梯形。
所述轮滑5轮缘一侧与磁振子6固结，轮缘的另一侧与线圈筒2内壁的滑槽配合。
本实施例在工作时，将本装置至于海面上，可以使用绳子等工具将装置固定在某一点，由于海洋具有多个振动方向随机变化的复杂振动环境中，由于上外壳11和下外壳12和支撑架7的保护而不发生翻转，因此各个方向的振动能量均能被收集。在外界没有振动时，磁振子受到左右两侧磁体斥力相同，两侧磁铁与中间的磁振子处于一个平衡静止的状态，不会产生能量的转化必然不会产生电能，当波浪的起伏带来一定的振动时，在外力作用下磁振子与两侧磁体间的相对平衡被打破，磁振子相对导电线圈发生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，线圈中磁通量发生变化从而产生电信号。
同时，磁振子受同极磁体的斥力，磁体受到反作用力，压电片上的压电陶瓷受力，压电陶瓷即处于同频率的机械振动状态，压电片发生机械形变，根据压电材料的正压电效应，压电片两个相对表面上出现相反的电荷从而形成电位差，实现了将机械能转化为电能。
将电磁和压电部分得到的电能通过整流滤波转换为直流电并在蓄电池中积累。当无线传感器供电不足或系统故障，且无法及时得到电能补给时蓄电池将对无线传感器进行供电，以保证传感器在紧急情况下的正常工作使用。由于海洋环境复杂，海浪起伏无时无刻都在发生着，能够带来非常频繁的振动，因此装置可以一直处在发电—蓄电的过程，能够实现振动能量收集和转化。
Claims (9)
1.一种电磁压电复合式波浪能收集装置，包括电磁式能量收集结构和压电式能量收集结构，其特征在于：球形外壳分为上外壳（11）和下外壳（12），上外壳（11）内设有第一挡板（17），下外壳（12）内设有第二挡板（18），在球形外壳内部设有底座（1），底座（1）两端分别设有压电双晶片（8），一对矩形磁铁（9）敷设于两端的压电双晶片（8）内侧，底座（1）平板部分设有两组支撑架（7），支撑架（7）的护圈中设有圆筒状保护筒（4），两端分别通过凸缘和防护网（10）固定，保护筒（4）置于压电双晶片（8）中间；保护筒（4）内设有线圈筒（2），线圈筒（2）长度与保护筒（4）一致，线圈筒（2）表面设有线圈（3），线圈筒（2）内设有磁振子（6），磁振子（6）两端分别与两侧的矩形磁铁（9）相斥，磁振子（6）的上、下侧设有两对轮滑（5），装置通过导线（16）依次与整流器（13），蓄电池（14），传感器（15）连接。
2.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述压电双晶片（8）共有两个，分别置于底座（1）两端的凹槽内。
3.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述磁铁（9）共有两块，均为矩形形状，它们分别与压电双晶片（8）粘贴，与磁振子（6）相对。
4.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述支撑架（7）共有两个，上端为封闭式圆环形护圈，内侧与保护筒（4）配合，下端为薄壁型，底面与底座（1）上表面固定。
5.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述防护网（10）共有两个，均为井字形，与保护筒（4）两端通孔铰接。
6.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述压电双晶片（8）为矩形形状。
7.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述压电双晶片（8）材料为压电陶瓷。
8. 根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述上外壳（11）和下外壳（12）均为半球形，第一挡板 （17）为圆形，第二挡板（18）为梯形。
9.根据权利要求1所述的一种电磁压电复合式波浪能收集装置，其特征在于：所述轮滑（5）轮缘的一侧与磁振子（6）固接，轮缘的另一侧与线圈筒（2）内壁的滑槽配合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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