CN107147330A - 一种非线性压电‑电磁复合式宽频带俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非线性压电‑电磁复合式宽频带俘能器，主要包括低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈，所述低频压电复合梁的一端与所述动磁体的一端相串连，所述高频压电复合梁位于所述低频压电复合梁与所述动磁体的上方，所述线圈位于所述动磁体的下方，所述静磁体固定于所述动磁体另一端的一侧，所述静磁体与所述动磁体另一端平行放置。本发明的有益效果为：通过将低频压电复合梁、高频压电复合梁和线圈同时集成在同一结构上，实现压电‑电磁复合式俘能，俘能器同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围；通过动磁体与静磁体之间的非线性磁力作用，实现低频压电复合梁、高频压电复合梁、线圈在宽频带范围俘能。
Description
技术领域
本发明涉及非线性压电-电磁复合式俘能器技术领域，尤其涉及一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器。
背景技术
随着微系统技术的发展，各型微器件的应用领域和应用范围愈发广泛，特别在密闭、旋转及空间尺寸相对有限的应用环境中，由于系统尺寸的限制以及传统电池自持电能有限、连线方式供能环境适应性差等问题，致使传统供能方式无法满足与微器件集成的供能新需求。因此，可以长时工作、占用工作空间小、环境适应性强的俘能技术成为近年来微能源领域的研究热点。
俘能技术实现将环境中的振动能、热能、电磁能量转化为电能供给低功耗器件工作，以替换传统供能方式或延长电池电能。由于振动能无处不在、无时不有，因此，将器件环境中的振动能量转化为电能的振动俘能技术是其中应用最广泛且最具前景的技术之一。现阶段，振动俘能技术主要包括三类，分别是基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器及基于电容原理的静电式俘能器。三种类型的俘能器都有其各自不同的特点，压电式俘能器的输出电压较大，但内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安到几十微安，最佳负载一般达到几十kΩ到1MΩ；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压只有几十到几百毫伏，最佳负载通常为几十到几百欧姆；静电式俘能器则需要驻极体或开启电压才可正常工作，同样存在输出电流较小的问题。因此，基于单一机理的振动俘能器无法同时输出较大电压和较大电流，并且最佳负载的应用范围也相对受限，所以需在同一结构上同时集成两种或多种俘能机理，以实现更广泛的应用效果。
另一方面，振动俘能器应用环境中的工作频率往往以低频振动为主，大都小于200Hz，并且振动俘能器的输出电能与振动频率成反比，振动频率越低、输出能量越低。因此，振动俘能器需要解决低频工作环境中输出电能较小的问题。此外，振动俘能器工作环境中的振动通常分布在一定的频带范围内的随机振动，为提高俘能器在实际应用环境中的应用能力，需要拓宽俘能器的工作带宽，以覆盖较宽的工作振动频率，提高俘能效率。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，用以解决现有技术中振动俘能器在低频振动环境中应用时因工作频率低引起输出能量小以及俘能频带窄、输出电压和电流大小不均匀、负载应用范围小的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，主要包括低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈，所述低频压电复合梁的一端与所述动磁体的一端相串连，所述高频压电复合梁位于所述低频压电复合梁与所述动磁体的上方，所述线圈位于所述动磁体的下方，所述静磁体固定于所述动磁体另一端的一侧，所述静磁体与所述动磁体另一端平行放置。
本发明通过将低频压电复合梁、高频压电复合梁和线圈同时集成在同一结构上，实现压电-电磁复合式俘能，俘能器同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围，同时，本发明通过动磁体与静磁体之间的非线性磁力作用，实现低频压电复合梁、高频压电复合梁、线圈在宽频带范围俘能。
进一步的，所述非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器还包括边框固定结构，所述低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈均固定在所述边框固定结构上。
本发明边框固定结构内部用于安装固定俘能器，将俘能器结构与外界环境隔离以保护俘能结构。
进一步的，所述边框固定结构为长方体结构，长、宽、高尺寸范围可分别为10mm～30mm、10mm～30mm、2mm～30mm。
进一步的，所述边框固定结构的材质为塑料或陶瓷。
本发明边框固定结构的材质选择为塑料或陶瓷，能够防止俘能器中的磁体与外界环境中的铁性材料发生作用力。
进一步的，所述低频压电复合梁的一端固定于所述边框固定结构的内壁，另一端与所述动磁体相连。
本发明低频压电复合梁的一端固定于边框固定结构上，将低频压电复合梁形成单悬臂梁结构形式，低频压电复合梁的另一端与动磁体相连，通过动磁体降低、调节低频压电复合梁的固有频率，以适应所应用的振动环境。
进一步的，所述低频压电复合梁为长方体、梯形或弓形多层复合结构，自上而下依次为上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁。
本发明上电极层用于外接正极导线，压电层在外激励作用下产生正负电荷，下电极层用于外接负极导线，上电极层、压电层、下电极层通过粘结方式固定于低频支撑梁上，以提高压电层的可靠性，防止单独使用压电材料时出现断裂、破裂等失效特征。
进一步的，所述上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁的宽度相等。
进一步的，所述低频压电复合梁的长、宽、厚尺寸范围分别为3mm～25mm、0.4mm～20mm、40μm～0.3mm。
本发明俘能器结构的输出功率随尺寸增大而提高，微米尺度下的俘能器结构输出功率小于0.1mW。
进一步的，所述高频压电复合梁的一端固定于所述边框固定结构的内壁，另一端为自由端，且所述高频压电复合梁平行位于所述低频压电复合梁的上方。
本发明将高频压电复合梁平行置于低频压电复合梁的上方，在低频振动环境中低频压电复合梁通过机械碰撞的方式触发激励高频压电复合梁振动，使高频压电复合梁在低频振动环境中同样具备电能输出；高频压电复合梁的谐振频率为低频压电复合梁的10倍左右，所以在低频振动环境中整体俘能器结构将输出较大的功率。
进一步的，所述高频压电复合梁的长度长于所述低频压电复合梁的长度。
在振动环境下，低频压电复合梁末端的最大振动位移小于2mm，为达到触发高频压电复合梁振动、增大高频压电复合梁输出功率的条件，设计高频压电复合梁的长度大于低频压电复合梁的长度。
进一步的，所述高频压电复合梁的长度、宽度、厚度的尺寸范围分别为3mm～30mm、0.4mm～20mm、40μm～0.3mm。
本发明针对俘能器所接不同负载的功率需求、工作环境及尺寸要求，针对性的设计俘能器低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体的尺寸。
进一步的，所述高频压电复合梁与所述低频压电复合梁的高度范围小于2mm。
在外激励下，低频压电复合梁末端的振动位移小于2mm，为保证低频压电复合梁能够碰撞触发高频压电复合梁发生振动，高频压电复合梁与低频压电复合梁之间的间距应小于2mm。
进一步的，所述高频压电复合梁为长方体、梯形或三角形多层复合结构，自上而下依次为上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁。
进一步的，所述动磁体的结构为长方体结构。
本发明的动磁体结构选择长方体结构，相比于圆柱型动磁体，长方体磁体更易固定于低频压电复合梁的末端，并与静磁体形成相互间作用力。
进一步的，所述静磁体的结构为长方体结构，以实现与动磁体相对应磁极间形成排斥作用力。
进一步的，所述静磁体固定于所述边框固定结构的内壁上，所述静磁体与所述动磁体之间的水平距离范围为1.5mm～5mm，水平距离的尺度通过动、静磁体之间的相互作用力确定。
进一步的，所述静磁体与所述动磁体的上表面高度相平齐。
进一步的，所述线圈为单层或多层平面线圈、立体缠绕线圈。
本发明有益效果如下：
(1)本发明一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，通过将低频压电复合梁、高频压电复合梁和线圈同时集成在同一结构上，实现压电-电磁复合式俘能，俘能器同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围；
(2)本发明一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，由于动磁体与静磁体之间的非线性磁力作用，实现低频压电复合梁、高频压电复合梁、线圈在宽频带范围俘能；
(3)本发明一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，通过非线性磁力和惯性力作用引起动磁体的非线性振动，通过与高频压电复合梁发生机械触碰，实现俘能器在低频振动环境下能够发生高频振动俘能，输出较大的电能；
(4)本发明一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，解决了传统振动俘能器在低频振动环境中因谐振频率低、俘能频带窄而导致输出电能小的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的特征和优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器的装配图；
图2为本发明非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器的剖面图；
图3为本发明低频压电复合梁与动磁体的装配图；
图4为本发明低频压电复合梁的截面图；
图5为本发明高频压电复合梁示意图；
图中，1-低频压电复合梁；2-高频压电复合梁；3-动磁体；4-静磁体；5-线圈；6-上电极层；7-压电层；8-下电极层；9-低频支撑梁；10-高频支撑梁；11-边框固定结构。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，在同一结构上同时集成了压电俘能和电磁俘能两种工作机理，并将上变频俘能结构及非线性磁力集成在同一俘能结构中，实现在低频振动环境中输出较大电能、具备宽频带俘能效果、同时输出较大的电压和较大电流及更广泛的最佳负载应用范围。
实施例
本实施例一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，应用于振动频率在10Hz到1kHz范围内的环境中，通过本实施将环境的振动能量转化为电能，实现为其他设备或器件自主供能。
本实施例集成了上变频俘能结构和非线性磁作用力的压电-电磁复合式宽频带振动俘能器，如图1、2所示，包括低频压电复合梁1、高频压电复合梁2、动磁体3、静磁体4、线圈5及边框固定结构11，低频压电复合梁1的一端固连在边框固定结构11的一个内壁面上，另一端为自由端；高频压电复合梁2的一端也固定在边框固定结构11的内壁面上，另一端也为自由端，且高频压电复合梁2位于低频压电复合梁1的上方；动磁体3的一端与低频压电复合梁1的自由端相连；静磁体4与动磁体3的另一端相对设置，固定在边框固定结构11上与低频压电复合梁1和高频压电复合梁2固定面相对的另一侧的内壁面上；线圈5位于边框固定结构11的底面上，且位于动磁体3下端。
如图3、4所示，低频压电复合梁1为多层结构的长方形板，本实施例中，低频压电复合梁1长4mm、宽2mm、厚0.3mm，其中，低频压电复合梁1在厚度方向为复合梁结构，自上至下依次为上电极层6、压电层7、下电极层8、低频支撑梁9，上电极层6、压电层7、下电极层8、低频支撑梁9的材质分别为金属铝、PZT、金属铝、不锈钢，各层的宽度分别相等；上电极层6位于低频压电复合梁1的最上层，用于外接正极导线；压电层7位于上电极层6的下层，在外激励作用下产生正负电荷；下电极层8位于压电层7的下层及支撑梁层的上层，用于外接负极导线；上电极层和下电极层的长度、宽度、厚度分别为4mm、2mm、0.05mm，压电层材料为PZT，压电层的长度、宽度、厚度为0.2mm；在低频支撑梁9的上面依次用丝网印刷工艺分别制备下电极层8、压电层7、上电极层6，上电极层6和下电极层8用于与外界负载相连，输出压电层7产生的能量。
低频压电复合梁1的一端固定在边框固定结构11的内壁，另一端为自由端，自由端与动磁体3相连；低频压电复合梁1与动磁体3共同构成了梁-质量块型结构，在外激励作用下低频压电复合梁1输出电压信号；低频压电复合梁1位于高频压电复合梁2的下侧，并与高频压电复合梁2在厚度方向上具有一定的间距，本实施例中间距为1mm，但并不仅限于本实施例的间距。
低频压电复合梁1受到动磁体3引起的惯性力和动、静磁体4之间的非线性磁作用力，在外激励作用下发生弯曲变形；低频压电复合梁1的振动响应为非线性振动响应，具备宽频带俘能能力。
动磁体3与低频压电复合梁1的自由端固定连接，动磁体3为长方体结构，动磁体3的长度为6mm、宽度为6mm、厚度为3mm，通过粘贴的方式固定于低频压电复合梁1上；动磁体3位于高频压电复合梁2的下方，并且与高频压电复合梁2之间具有一定的间距，间距为1mm，即动磁体3的上表面与低频压电复合梁1的上表面平齐；在外激励作用下，动磁体3在惯性力作用下发生振动；所述的动磁体3在振动过程中受到静磁体4相互作用产生的非线性作用力，振动响应为非线性振动；动磁体3的振动位移大于动磁体3与高频压电复合梁2之间的间隙，在外激励作用下，动磁体3振动能够机械触碰到高频压电复合梁2的下表面，因此会使得高频压电复合梁2发生弯曲变形，激发高频压电复合梁2发生振动响应，动磁体3在振动过程中，穿过线圈5中的磁通量随时间变化；动磁体3用于降低低频压电复合梁1的谐振频率。
如图5所示，高频压电复合梁2位于低频压电复合梁1和动磁体3的上侧，一端为固定端，另一端为自由端；高频压电复合梁2为具有多层结构的长方形板，从上至下依次包括上电极层6、压电层7、下电极层8、高频支撑梁10，各层的宽度相等；上电极层6位于高频压电复合梁2的最上层，用于外接正极导线；压电层7位于上电极层6的下层；下电极层8位于压电层7的下层，用于外接负极导线；高频支撑梁10位于下电极层8的下层；高频压电复合梁2的长度大于低频压电复合梁1的长度。本实施例中，高频压电复合梁2长10mm、宽6mm、厚0.2mm，其中，上电极层和下电极层的长度、宽度、厚度分别为10mm、6mm、0.05mm，压电层材料为PZT，压电层的长度、宽度、厚度分别为10mm、6mm、0.2mm；本实施例制备高频压电复合梁2的过程为：在高频支撑梁10的上面依次用丝网印刷工艺分别制备下电极层8、压电层7、上电极层6，下电极层8、压电层7、上电极层6的材质分别为金属铝、PZT、金属铝；上电极层6和下电极层8用于与外界负载相连，输出压电层7产生的能量。
静磁体4为长方体结构，静磁体长3mm、宽3mm、厚2mm，静磁体4通过粘结方式固定于边框固定结构11上，与动磁体3的磁极面相对；静磁体4与动磁体3之间存在非线性磁作用力，并且作用到低频压电复合梁1；在外激励作用下，静磁体4与动磁体3之间的非线性作用力用于增大俘能器的俘能带宽；静磁体4的高度与动磁体3的高度相等；静磁体4与动磁体3之间有一定的间距，间距为4mm。
线圈5位于动磁体3下侧，并固定于边框固定结构11上；线圈5中通过的磁通量由于动磁体3的变化而随时间发生变化，进而在线圈5中输出电能；线圈5为平面线圈5，线圈5长6mm、宽6mm、厚0.2mm，线圈5由6层单层线圈组成，线圈5通过粘结的方式固定于边框结构中，线圈5中输出的电能由电磁感应定律引起，最佳负载为110欧姆。
边框固定结构11为长方体空壳结构，低频压电复合梁1与高频压电复合梁2固定于边框固定结构的左侧，静磁体4固定于边框固定结构的右侧，同时边框固定结构11的前侧为开口，边框固定结构11的材质为塑料，长度、宽度、高度分别为19mm、10mm、10mm。
值得注意的，本实施例中低频压电复合梁1的频率小于100Hz，高频压电复合梁2的频率是低频压电复合梁1的10倍左右。
值得注意的，低频压电复合梁1和高频压电复合梁2的输出电能由压电效应引起，最佳负载大小为18千欧，但不仅限于此，本发明负载能够满足几千欧到兆欧范围。
值得注意的，本实施例低频压电复合梁1可以由其他不同形状或结构且能实现低频振动的结构梁代替，如梯形梁结构或弓形梁结构。
值得注意的，本实施例高频压电复合梁2可以由其他不同形状或结构且能实现高频振动俘能的结构梁代替，如梯形梁结构或三角梁结构。
值得注意的，本实施例动磁体3的正下方可增加驻极体结构，相应的线圈用驻极体代替，本实施例驻极体结构为长方体结构，驻极体结构的长度、宽度分别与动磁铁的长度、宽度相等，厚度为1mm；本实施例两块驻极体结构中一块粘结于动磁铁3正下方、一块固定于边框固定结构中与动磁铁下方的驻极体相对。
值得注意的，本实施例低频压电复合梁1和高频压电复合梁2的组成可由上电极层、压电层、下电极层、支撑梁、下电极层、上电极层所组成的复合结构层代替。
值得注意的，多层平面线圈可由立体缠绕线圈或单层平面线圈代替。
综上所述，本发明提供了一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，通过将低频压电复合梁、高频压电复合梁和线圈同时集成在同一结构上，实现压电-电磁复合式俘能，俘能器同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围；同时，由于动磁体与静磁体之间的非线性磁力作用，实现低频压电复合梁、高频压电复合梁、线圈在宽频带范围俘能。
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)
1.一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，主要包括低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈，所述低频压电复合梁的一端与所述动磁体的一端相串连，所述高频压电复合梁位于所述低频压电复合梁与所述动磁体的上方，所述线圈位于所述动磁体的下方，所述静磁体固定于所述动磁体另一端的一侧，所述静磁体与所述动磁体另一端平行放置。
2.根据权利要求1所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器还包括边框固定结构，所述低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈均固定在所述边框固定结构上。
3.根据权利要求2所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述低频压电复合梁的一端固定于所述边框固定结构的内壁，另一端与所述动磁体相连。
4.根据权利要求3所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述低频压电复合梁为长方体、梯形或弓形多层复合结构，自上而下依次为上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁。
5.根据权利要求4所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述高频压电复合梁的一端固定于所述边框固定结构的内壁，另一端为自由端，且所述高频压电复合梁平行位于所述低频压电复合梁的上方。
6.根据权利要求5所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述高频压电复合梁的长度长于所述低频压电复合梁的长度。
7.根据权利要求6所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述高频压电复合梁与所述低频压电复合梁的高度范围小于2mm。
8.根据权利要求7所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述高频压电复合梁为长方体、梯形或三角形多层复合结构，自上而下依次为上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁。
9.根据权利要求8所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述动磁体的结构为长方体结构，所述静磁体的结构为长方体结构；所述静磁体与所述动磁体的上表面高度相平齐。
10.根据权利要求9所述的一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，其特征在于，所述静磁体固定于所述边框固定结构的内壁上，所述静磁体与所述动磁体之间的水平距离范围为1.5mm～5mm。
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