CN107733284B - 一种两自由度压电电磁混合式俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，具体涉及一种两自由度压电电磁混合式俘能器，至少包括U形悬臂梁、磁铁、可拆卸式夹具、框架、线圈、圆筒、固定式夹具、弹簧；U形悬臂梁由第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁构成，U形悬臂梁的开口端与框架的竖直壁固定连接，U形悬臂梁的自由端与第一磁铁固定连接；U形悬臂梁、可拆卸式夹具和第一磁铁构成压电式俘能器；所述线圈由漆包线沿着圆筒外壁的右半部分绕制而成；所述圆筒与框架的竖直壁固定连接；所述固定式夹具用于夹持第二磁铁；所述第二磁铁与第一磁铁同极相对；所述固定式夹具、第二磁铁、弹簧和线圈构成电磁式俘能器。本发明结构简单紧凑、能源收集效率高、使用成本低。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应效应的混合式俘能器，适用于微传感器、微执行器、可穿戴电子设备等需从外界环境俘能进行能量补充的低功耗器件。
背景技术
微电子、微机械、微制造等技术的不断进步促进了各种微型传感器、微型执行器、微型信号发射器、可穿戴电子设备等低功耗器件的不断涌现。这些器件的功耗较小，一般在毫瓦级。目前，这些低功耗器件主要依靠电化学电池供电。电池的储能有限、使用寿命短，需定期充电或更换，给使用者带来不便。当低功耗器件工作于偏远山区、森林、沙漠等无电网覆盖的环境时，电池的充电或更换很难实现。此外，废弃电池对环境造成重大污染，许多耕地遭受重金属污染而无法继续种植农作物。对废弃电池的处理也需要大量的社会资源。如果可以从器件的工作环境中收集能量，并转换为可供器件使用的电能，这将缓解甚至解决低功耗器件的能源问题。
在各类低功耗器件的工作环境中，机械能，尤其是低频振动能的分布非常广泛、能源十分丰富，因而现有的压电式、电磁式微小型俘能器主要以振动能作为收集目标，并将其转化为可供低功耗器件使用的电能。典型的压电式俘能器如Liuyang Xiong,Lihua Tang,Brian R.Mace在《Applied Physics Letters》108(2016)：203901撰文“Internalresonance with commensurability induced by an auxiliary oscillator forbroadband energy harvesting”(“通过辅助振子产生的成比例的内共振实现宽带能源收集”《应用物理快报》)。该文通过将“L”形的压电悬臂梁与固定于框架的磁铁进行耦合，导致压电悬臂梁产生非线性振动，从而拓宽压电式俘能器的工作带宽。
典型的电磁式微小型俘能器如Weiqun Liu,Congzhi Liu,Bingyu Ren,Qiao Zhu,Guangdi Hu,WeiqingYang在《Applied Physics Letters》109(2016)：043905撰文“Bandwidth increasing mechanism by introducing a curve fixture to thecantilever generator”(“采用曲面夹具提高悬臂梁式发电机工作带宽的机制”《应用物理快报》)。该文通过采用曲面形夹具夹持悬臂梁的固定端，使悬臂梁产生非线性振动，通过悬臂梁末端的磁铁与固定于框架的线圈之间的相对运动，将悬臂梁产生的非线性振动能转换为电能，从而获得更大的工作带宽。
虽然上述的压电式俘能器和电磁式俘能器都通过悬臂梁的非线性振动获得了更大的工作带宽，但基于单独的压电效应或电磁感应效应的微小型俘能器的输出功率仍旧较低。如果同时通过压电效应和电磁感应效应将振动能转换为电能，俘能器将会产生更大的输出功率。典型的压电电磁混合式俘能器如Hongyan Wang,Lihua Tang,Yuan Guo,Xiaobiao Shan,Tao Xie在《Journal ofZhejiang University-ScienceA》15(2014)：711-722撰文“A2DOF hybrid energy harvester based on combined piezoelectric andelectromagnetic conversion mechanisms”(“一种基于压电电磁组合转换机制的两自由度混合式俘能器”《浙江大学学报-科学A》)。该文通过在压电梁的中部附加弹簧-磁铁子系统构成压电电磁混合式俘能器。但是，该俘能器的结构复杂、体积庞大、低频振动能的收集效率低，并不能有效收集低功耗器件工作环境中占主导地位的低频振动能。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、使用成本低、应用范围广的两自由度压电电磁混合式俘能器，以克服现有的压电式、电磁式、压电电磁混合式俘能器输出功率低，且不能高效收集低频振动能的缺点。
本发明的技术方案是：一种两自由度压电电磁混合式俘能器，至少包括U形悬臂梁、磁铁、可拆卸式夹具、框架、线圈、圆筒、固定式夹具、弹簧；所述磁铁包括第一磁铁和第二磁铁；所述框架包括相互固连在一起的底板和竖直壁；所述U形悬臂梁由第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁构成，U形悬臂梁的开口端与框架的竖直壁固定连接，所述第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁在水平面内相平行，U形悬臂梁的自由端通过可拆卸式夹具与第一磁铁固定连接，所述第一磁铁位于U形悬臂梁的第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁之间，第一磁铁的极化方向沿着U形悬臂梁的长度方向；所述U形悬臂梁、可拆卸式夹具以及第一磁铁构成压电式俘能器；所述圆筒的左端与所述竖直壁固定连接，所述线圈套接于圆筒的右端上，所述固定式夹具的下端通过所述弹簧与底板相连接，固定式夹具的上端设有左右两端开口的凹槽，凹槽内镶嵌有与其尺寸相匹配的第二磁铁；所述第一压电悬臂梁、第二压电悬臂梁以及线圈所产生的电能通过桥式整流器转换为直流电后存储于储能元件中。
上述U形悬臂梁的开口端通过盖板和螺钉与框架的竖直壁固定连接。
上述第一压电悬臂梁包括第一压电元件和第一长方形压电金属梁；所述的第二压电悬臂梁包括第二压电元件和第二长方形压电金属梁；所述第一压电元件通过导电胶固定于所述第一长方形压电金属梁上，第二压电元件通过导电胶固定于所述第二长方形压电金属梁上；所述第一压电元件沿第一长方形压电金属梁厚度方向极化，第一压电元件的电极串联或并联连接；所述第二压电元件沿第二长方形压电金属梁厚度方向极化，第二压电元件的电极串联或并联连接。
上述可拆卸式夹具由上阶梯形薄板和下阶梯形薄板构成；所述的可拆卸式夹具的左半部分用于夹持第一磁铁，右半部分用于夹持U形悬臂梁的自由端；可拆卸式夹具的右半部分通过螺栓和螺母与U形悬臂梁的自由端固定连接。
上述框架的竖直壁上端开设有第一半圆形凹槽，所述盖板的下端开设有用于和所述第一半圆形凹槽配合来夹持所述圆筒的第二半圆形凹槽，所述竖直壁和盖板之间通过螺钉固定连接，其中所述竖直壁上位于第一半圆形凹槽的两侧分别开设一与所述螺钉相匹配的位于纵向的螺纹孔，所述盖板上位于第二半圆形凹槽的两侧分别对应开设一通孔，所述螺钉穿过通孔与对应的螺纹孔螺纹连接。
上述固定式夹具的下端设有位于竖向的圆柱形导向轴，所述圆柱形导向轴沿着轴向从弹簧的顶部套接并紧嵌于弹簧内。
本发明的有益效果：本发明在外界振动沿着弹簧的轴向作用于第一磁铁和第二磁铁时，第一磁铁带动U形悬臂梁振动，并通过压电效应将U形悬臂梁的振动能转换为电能；第二磁铁在外界振动和弹簧的作用下，沿着竖直方向振动，并通过与线圈间的电磁感应效应将振动能转换为电能；第一磁铁与第二磁铁间的排斥性磁力导致U形悬臂梁和第二磁铁都产生非线性振动，同时增大了压电式俘能器和电磁式俘能器的工作带宽；第二磁铁感知的低频外界振动通过第一磁铁与第二磁铁间的耦合作用激励U形悬臂梁以更高的频率振动，并将部分振动能传递给U形悬臂梁以产生电能，从而提高了低频振动能的收集效率；第一压电悬臂梁、第二压电悬臂梁、线圈所产生的电能通过桥式整流器转换为直流后，存储于储能元件。与现有技术相比，本发明的技术优点在于：
(1)本发明采用由两根压电悬臂梁构成的U形悬臂梁包裹电磁式俘能器，结构简单、紧凑，易于实现。
(2)本发明同时基于压电效应和电磁感应效应将振动能转换为电能，能源收集效率高、输出功率大。
(3)本发明采用磁铁间的非线性作用力耦合压电式和电磁式俘能器，同时增大了压电式俘能器和电磁式俘能器的工作带宽。
(4)本发明采用第二磁铁、固定式夹具和弹簧构成的子系统感知外界的低频振动激励，并通过磁耦合触发压电式俘能器以更高的频率振动、发电，有效缓解了外界激励频率与压电式俘能器谐振频率不匹配的问题，提高了低频振动能的收集效率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例结构分解示意图；
图2为U形悬臂梁结构示意图；
图3为可拆卸式夹具结构示意图；
图4为框架结构示意图；
图5为圆筒结构示意图；
图6为盖板结构示意图；
图7为固定式夹具结构示意图；
图8为桥式整流电路示意图；
图9为本发明的整体组装示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明具体实施方式作进一步的详细描述：
实施例1：
参见图1，本发明提供了一种两自由度压电电磁混合式俘能器，至少包括U形悬臂梁1、磁铁2、可拆卸式夹具3、框架6、线圈7、圆筒8、固定式夹具11、弹簧12；所述磁铁2包括第一磁铁2-1和第二磁铁2-2；所述框架6包括相互固连在一起的底板6-1和竖直壁6-2；所述U形悬臂梁1由第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2构成，U形悬臂梁1的开口端与框架6的竖直壁6-2固定连接，所述第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2在水平面内相平行，U形悬臂梁1的自由端通过可拆卸式夹具3与第一磁铁2-1固定连接，所述第一磁铁2-1位于U形悬臂梁1的第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2之间，第一磁铁2-1的极化方向沿着U形悬臂梁1的长度方向；所述U形悬臂梁1、可拆卸式夹具3以及第一磁铁2-1构成压电式俘能器；所述圆筒8的左端与所述竖直壁6-2固定连接，所述线圈7套接于圆筒8的右端上，所述固定式夹具11的下端通过所述弹簧12与底板6-1相连接，固定式夹具11的上端设有左右两端开口的凹槽11-1，凹槽11-1内镶嵌有与其尺寸相匹配的第二磁铁2-2；所述第一压电悬臂梁1-1、第二压电悬臂梁1-2以及线圈7所产生的电能通过桥式整流器转换为直流电后存储于储能元件中。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述U形悬臂梁1的开口端通过盖板9和螺钉10与框架6的竖直壁6-2固定连接。
如图2所示，所述第一压电悬臂梁1-1包括第一压电元件1-1-1和第一长方形压电金属梁1-1-2；所述的第二压电悬臂梁1-2包括第二压电元件1-2-1和第二长方形压电金属梁1-2-2；所述第一压电元件1-1-1通过导电胶固定于所述第一长方形压电金属梁1-1-2上，第二压电元件1-2-1通过导电胶固定于所述第二长方形压电金属梁1-2-2上；所述第一压电元件1-1-1沿第一长方形压电金属梁1-1-2厚度方向极化，第一压电元件1-1-1的电极串联或并联连接；所述第二压电元件1-2-1沿第二长方形压电金属梁1-2-2厚度方向极化，第二压电元件1-2-1的电极串联或并联连接。
如图3所示，所述可拆卸式夹具3由上阶梯形薄板3-1和下阶梯形薄板3-2构成；所述的可拆卸式夹具3的左半部分用于夹持第一磁铁2-1，右半部分用于夹持U形悬臂梁1的自由端；可拆卸式夹具3的右半部分通过螺栓4和螺母5与U形悬臂梁1的自由端固定连接。
如图4、图6所示，所述框架6的竖直壁6-2上端开设有第一半圆形凹槽6-3，所述盖板9的下端开设有用于和所述第一半圆形凹槽6-3配合来夹持所述圆筒8的第二半圆形凹槽9-1，所述竖直壁6-2和盖板9之间通过螺钉10固定连接，其中所述竖直壁6-2上位于第一半圆形凹槽6-3的两侧分别开设一与所述螺钉10相匹配的位于纵向的螺纹孔6-4，所述盖板9上位于第二半圆形凹槽9-1的两侧分别对应开设一通孔9-2，所述螺钉10穿过通孔8-2与对应的螺纹孔6-4螺纹连接。如图5所示为圆筒8结构示意图。
如图7所示，所述固定式夹具11的下端设有位于竖向的圆柱形导向轴11-2，所述圆柱形导向轴11-2沿着轴向从弹簧12的顶部套接并紧嵌于弹簧12内。
如图8所示，本发明还包括第一压电悬臂梁等效电路A、第二压电悬臂梁等效电路B、电磁式俘能器等效电路C、桥式整流电路D和储能元件E。第一压电悬臂梁等效电路A、第二压电悬臂梁等效电路B和电磁式俘能器等效电路C的输出经桥式整流电路D转换为直流，然后存储于储能元件E中。上述电路及元件均属于公知技术，这里就不做详细说明。
图9为本发明的整体组装示意图。
本发明的工作原理：本发明的压电俘能器、电磁俘能器分别只从竖直方向的振动激励中收集能量，所以称为“两自由度混合式俘能器”，当外界振动沿着弹簧的轴向作用于第一磁铁和第二磁铁时，第一磁铁带动U形悬臂梁振动，并通过压电效应将U形悬臂梁的振动能转换为电能；第二磁铁在外界振动和弹簧的作用下，沿着竖直方向振动，并通过与线圈间的电磁感应效应将振动能转换为电能；第一磁铁与第二磁铁间的排斥性磁力导致U形悬臂梁和第二磁铁都产生非线性振动，同时增大了压电式俘能器和电磁式俘能器的工作带宽；第二磁铁感知的低频外界振动通过第一磁铁与第二磁铁间的耦合作用激励U形悬臂梁以更高的频率振动，并将部分振动能传递给U形悬臂梁以产生电能，从而提高了低频振动能的收集效率；第一压电悬臂梁、第二压电悬臂梁、线圈所产生的电能通过桥式整流器转换为直流后，存储于储能元件。
综上，与现有技术相比，本发明的技术优点在于：
(1)本发明采用由两根压电悬臂梁构成的U形悬臂梁包裹电磁式俘能器，结构简单、紧凑，易于实现。
(2)本发明同时基于压电效应和电磁感应效应将振动能转换为电能，能源收集效率高、输出功率大。
(3)本发明采用磁铁间的非线性作用力耦合压电式和电磁式俘能器，同时增大了压电式俘能器和电磁式俘能器的工作带宽。
(4)本发明采用第二磁铁、固定式夹具和弹簧构成的子系统感知外界的低频振动激励，并通过磁耦合触发压电式俘能器以更高的频率振动、发电，有效缓解了外界激励频率与压电式俘能器谐振频率不匹配的问题，提高了低频振动能的收集效率。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征是：至少包括U形悬臂梁（1）、磁铁（2）、可拆卸式夹具（3）、框架（6）、线圈（7）、圆筒（8）、固定式夹具（11）、弹簧（12）；所述磁铁（2）包括第一磁铁（2-1）和第二磁铁（2-2）；所述框架（6）包括相互固连在一起的底板（6-1）和竖直壁（6-2）；所述U形悬臂梁（1）由第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2）构成，U形悬臂梁（1）的开口端与框架（6）的竖直壁（6-2）固定连接，所述第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2）在水平面内相平行，U形悬臂梁（1）的自由端通过可拆卸式夹具（3）与第一磁铁（2-1）固定连接，所述第一磁铁（2-1）位于U形悬臂梁（1）的第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2）之间，第一磁铁（2-1）的极化方向沿着U形悬臂梁（1）的长度方向；所述U形悬臂梁（1）、可拆卸式夹具（3）以及第一磁铁（2-1）构成压电式俘能器；
所述圆筒（8）的左端与所述竖直壁（6-2）固定连接，所述线圈（7）套接于圆筒（8）的右端上，所述固定式夹具（11）的下端通过所述弹簧（12）与底板（6-1）相连接，固定式夹具（11）的上端设有左右两端开口的凹槽（11-1），凹槽（11-1）内镶嵌有与其尺寸相匹配的第二磁铁（2-2）；
所述第一压电悬臂梁（1-1）、第二压电悬臂梁（1-2）以及线圈（7）所产生的电能通过桥式整流器转换为直流电后存储于储能元件中。
2.如权利要求1所述的一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征在于，所述U形悬臂梁（1）的开口端通过盖板（9）和螺钉（10）与框架（6）的竖直壁（6-2）固定连接。
3.如权利要求1所述的一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征在于，所述第一压电悬臂梁（1-1）包括第一压电元件（1-1-1）和第一长方形压电金属梁（1-1-2）；所述的第二压电悬臂梁（1-2）包括第二压电元件（1-2-1）和第二长方形压电金属梁（1-2-2）；所述第一压电元件（1-1-1）通过导电胶固定于所述第一长方形压电金属梁（1-1-2）上，第二压电元件（1-2-1）通过导电胶固定于所述第二长方形压电金属梁（1-2-2）上；所述第一压电元件（1-1-1）沿第一长方形压电金属梁（1-1-2）厚度方向极化，第一压电元件（1-1-1）的电极串联或并联连接；所述第二压电元件（1-2-1）沿第二长方形压电金属梁（1-2-2）厚度方向极化，第二压电元件（1-2-1）的电极串联或并联连接。
4.如权利要求1所述的一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征在于，所述可拆卸式夹具（3）由上阶梯形薄板（3-1）和下阶梯形薄板（3-2）构成；所述的可拆卸式夹具（3）的左半部分用于夹持第一磁铁（2-1），右半部分用于夹持U形悬臂梁（1）的自由端；可拆卸式夹具（3）的右半部分通过螺栓（4）和螺母（5）与U形悬臂梁（1）的自由端固定连接。
5.如权利要求2所述的一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征在于，所述框架（6）的竖直壁（6-2）上端开设有第一半圆形凹槽（6-3），所述盖板（9）的下端开设有用于和所述第一半圆形凹槽（6-3）配合来夹持所述圆筒（8）的第二半圆形凹槽（9-1），所述竖直壁（6-2）和盖板（9）之间通过螺钉（10）固定连接，其中所述竖直壁（6-2）上位于第一半圆形凹槽（6-3）的两侧分别开设一与所述螺钉（10）相匹配的位于纵向的螺纹孔（6-4），所述盖板（9）上位于第二半圆形凹槽（9-1）的两侧分别对应开设一通孔（9-2），所述螺钉（10）穿过通孔（9-2）与对应的螺纹孔（6-4）螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种两自由度压电电磁混合式俘能器，其特征是：所述固定式夹具（11）的下端设有位于竖向的圆柱形导向轴（11-2），所述圆柱形导向轴（11-2）沿着轴向从弹簧（12）的顶部套接并紧嵌于弹簧（12）内。
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