CN107834902B - 一种二维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，具体涉及一种二维压电电磁混合式俘能器，至少包括压电悬臂梁、磁铁、框架、线圈、圆筒、固定式夹具、弹簧；压电悬臂梁包括第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁，压电悬臂梁的固定端与框架的竖直壁固定连接；压电悬臂梁的自由端与磁铁固定连接；压电悬臂梁和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；所述的固定式夹具、磁铁、弹簧和线圈构成电磁式俘能器。本发明结构简单紧凑、可从两个正交方向收集振动能、能源收集效率高。
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二维混合式俘能器，适用于微传感器、微执行器、无线收发器、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
现代电子信息技术和互联网技术的飞速发展促进了各种无线传感器、微型信号发射器、微型信号接收器、可穿戴式电子设备的不断涌现。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，需定期更换或充电。当这些器件工作于某些特殊场合，如偏远山区、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。即使电池的充电或更换操作可行，但当数量巨大的无线传感器构成网络时(如物联网)，对数量巨大的传感器节点进行充电或更换电池将会耗费巨大的人力和财力。此外，电池中含有多种腐蚀或有毒材料，如酸、铅、镍、锂、铬、碱、汞等，大量使用电池或废旧电池的处理会对环境造成巨大的威胁。如果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。
在各类可收集的能源中，振动能在各类低功耗器件的工作环境中分布非常广泛，因而现有的各类微小型俘能器主要以振动能作为收集对象，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Li Haitao,Qin Weiyang,Lan Chunbo,DengWangzheng,Zhou Zhiyong在《Smart Materials and Structures》25(2016)：015001撰文“Dynamics and coherence resonance oftri-stable energy harvesting system”(“三稳态能源收集系统的动力学与相干共振”《智能材料与结构》)。该文通过在压电悬臂梁自由端的振动方向对称的布置两个磁铁，并与压电悬臂梁末端的磁铁形成磁性斥力耦合，从而使压电悬臂梁产生非线性振动并具备三个稳态位置，从而提高俘能器的工作带宽。
典型的电磁式微小型俘能器如Abu Raihan Mohammad Siddique,Shohel Mahmud,Bill Van Heyst在《Energy Conversion and Management》133(2017)：399-410撰文“Energy conversionby‘T-shaped’cantilever type electromagnetic vibration basedmicro power generation from low frequency vibration soures”(“基于T形悬臂梁类型的电磁振动从低频振动源中实现能源转换的微功率发电机”《能源转换与管理》)。该文通过将线圈固定在T形悬臂梁的自由端，并在线圈的两侧对称布置两块磁铁构成电磁式发电机。工作中，悬臂梁在外界振动的激励下带动线圈振动，导致线圈与磁铁间产生相对运动，从而利用电磁感应原理将振动能转换为电能。
虽然上述的压电式俘能器和电磁式俘能器都可以将振动能转换为电能，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，将会使俘能器产生更大的输出功率。典型的压电电磁混合式俘能器如Ping Li,Shiqiao Gao,Huatong Cai,Lisen Wu在《MicrosystemTechnologies》22(2016)：727-739撰文“Theoretical analysis and experimental studyfornonlinearhybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester”(“非线性混合式压电和电磁式俘能器的理论分析和实验研究”《微系统技术》)。该文通过两根压电悬臂梁支撑一块磁铁，并在磁铁的上下分别对称布置四组线圈构成压电电磁混合式发电机。在外界振动的激励下，压电悬臂梁带动磁铁振动；压电悬臂梁的振动使压电膜产生交替的压应力和拉应力，从而利用压电效应产生电能；磁铁的振动导致其与线圈相对运动，并通过电磁感应效应产生电能。虽然该俘能器同时利用压电效应和电磁感应效应产生电能，但其结构复杂、体积庞大，并只能从单一方向的振动中收集能量。考虑到低功耗器件工作环境中的振动能来源于不同方向，只具备单向收集能力的压电式、电磁式、压电电磁混合式俘能器的效率提升空间非常有限。
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、应用范围广、具有双向收集能力的二维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，且只能从单一方向收集振动能的缺点。
本发明的技术方案是：一种二维压电电磁混合式俘能器，至少包括压电悬臂梁、磁铁、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；所述压电悬臂梁包括第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁，所述第一压电悬臂梁的固定端和所述竖直壁的后端固定连接，所述第二压电悬臂梁的固定端和所述竖直壁后端固定连接，所述第一压电悬臂梁的自由端与第一磁铁固定连接，第二压电悬臂梁的自由端与第二磁铁固定连接，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，第一压电悬臂梁与第二压电悬臂梁沿着水平方向振动；所述第一磁铁与第二磁铁同极相对，第一磁铁与第二磁铁的磁化方向沿着压电悬臂梁的长度方向；第一压电悬臂梁和第一磁铁构成第一压电式俘能器；第二压电悬臂梁和第二磁铁构成第二压电式俘能器；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固定式夹具凹槽，所述固定式夹具凹槽内镶嵌有与其尺寸相匹配的第三磁铁，所述线圈的右端与所述第三磁铁相对；所述第三磁铁与第一磁铁和第二磁铁的磁化方向相同，并与第一磁铁和第二磁铁的同磁极相对；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。
上述第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁分别通过夹板和螺钉与框架的竖直壁固定连接。
上述的第一压电悬臂梁包括压电元件和长方形压电金属梁；所述压电元件通过导电胶固定于所述长方形压电金属梁上；所述压电元件沿长方形压电金属梁厚度方向极化，压电元件的电极串联或并联连接；所述第二压电悬臂梁和第一压电悬臂梁的结构相同。
上述夹板为长方形片状结构，夹板上沿其厚度方向开设有第一通孔和第二通孔；第一通孔用于通过第一螺钉将夹板与盖板固定连接，第二通孔用于通过第一螺钉将夹板与框架固定连接；所述盖板用于将圆筒的左端夹持于盖板和所述竖直壁的顶端之间。
上述竖直壁的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还通过第二螺钉和第一螺纹孔固定连接，其中所述第一螺纹孔沿纵向方向开设于所述竖直壁上，所述盖板沿纵向方向开设有第一通孔；所述竖直壁上位于半圆形凹槽的两侧分别开设一第一螺纹孔，所述盖板上位于第二半圆形凹槽的两侧分别对应开设一第一通孔，所述第二螺钉穿过第一通孔与对应的第一螺纹孔螺纹连接。
上述的盖板的前、后两个侧面分别开设有第二螺孔，所述竖直壁的前、后两个侧面分别开设有第三螺孔，所述夹板的第一通孔与第二螺孔相对应，并通过第一螺钉固定连接；所述夹板的第二通孔与第三螺孔相对应，并通过第一螺钉固定连接，其中所述第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁的左端夹持于竖直壁和夹板之间，所述第一螺钉穿过第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁的左端所开设的孔洞。
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；所述弹簧的下端与框架的底板固定连接；所述固定式夹具的凹槽为左右两端开口的凹槽。
本发明的有益效果：当外界振动沿着弹簧的轴向作用于整个俘能器时，第三磁铁通过外界振动和弹簧的作用上下振动，导致第三磁铁与线圈间产生相对运动，从而通过电磁感应效应将振动能转换为电能；同时，第三磁铁通过与第一磁铁和第二磁铁间的非线性斥力作用分别激励第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁以更高的频率振动，从而通过压电效应将振动能转换为电能。当外界振动沿着压电悬臂梁的振动方向作用于整个俘能器时，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁在外界振动的激励下振动，并通过压电效应将振动能转换为电能。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压电式俘能器包围电磁式俘能器，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)本发明采用压电式俘能器和电磁式俘能器分别从两个垂直的方向收集振动能，提高了俘能器的输出功率和适应性。
(4)本发明采用第三磁铁、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为压电悬臂梁结构示意图；
图3为夹板结构示意图；
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：
如图1所示，本发明提供了一种二维压电电磁混合式俘能器，至少包括压电悬臂梁1、磁铁2、框架5、线圈6、圆筒7、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5包括相互固连在一起的底板5-1和竖直壁5-2；所述压电悬臂梁1包括第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2，所述第一压电悬臂梁1-1的固定端和所述竖直壁5-2的后端固定连接，所述第二压电悬臂梁1-2的固定端和所述竖直壁5-2后端固定连接，所述第一压电悬臂梁1-1的自由端与第一磁铁2-1固定连接，第二压电悬臂梁1-2的自由端与第二磁铁2-2固定连接，第一压电悬臂梁1-1与第二压电悬臂梁1-2对称分布于框架5竖直壁5-2的两侧，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，第一压电悬臂梁1-1与第二压电悬臂梁1-2沿着水平方向振动；所述第一磁铁2-1与第二磁铁2-2同极相对，第一磁铁2-1与第二磁铁2-2的磁化方向沿着压电悬臂梁1的长度方向；第一压电悬臂梁1-1和第一磁铁2-1构成第一压电式俘能器；第二压电悬臂梁1-2和第二磁铁2-2构成第二压电式俘能器；所述圆筒7的左端与所述竖直壁5-2固定连接，所述线圈6套接于圆筒7的右端上，如图5所示为圆筒7的结构示意图；所述固定式夹具11的下端通过所述弹簧12与底板5-1相连接，固定式夹具11的上端设有固定式夹具凹槽11-1，所述固定式夹具凹槽11-1内镶嵌有与其尺寸相匹配的第三磁铁10，所述线圈6的右端与所述第三磁铁10相对；所述第三磁铁10与第一磁铁2-1和第二磁铁2-2的磁化方向相同，并与第一磁铁2-1和第二磁铁2-2的同磁极相对；所述第一压电悬臂梁1-1、第二压电悬臂梁1-2以及线圈6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，所述第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2分别通过夹板3和螺钉4与框架5的竖直壁5-2固定连接。
如图2所示，所述的第一压电悬臂梁1-1包括压电元件1-1-1和长方形压电金属梁1-1-2；所述压电元件1-1-1通过导电胶固定于所述长方形压电金属梁1-1-2上；所述压电元件1-1-1沿长方形压电金属梁1-1-2厚度方向极化，压电元件1-1-1的电极串联或并联连接；所述第二压电悬臂梁1-2和第一压电悬臂梁1-1的结构相同。
如图3所示，所述夹板3为长方形片状结构，夹板3上沿其厚度方向开设有第一通孔3-1和第二通孔3-2；第一通孔3-1用于通过第一螺钉4将夹板3与盖板8固定连接，第二通孔3-2用于通过第一螺钉4将夹板3与框架5固定连接；所述盖板8用于将圆筒7的左端夹持于盖板8和所述竖直壁5-2的顶端之间。
参见图1、图4以及图6所示，所述竖直壁5-2的上端开设有第一半圆形凹槽5-3，所述盖板8的下端开设有用于和所述半圆形凹槽5-3配合来夹持所述圆筒7的第二半圆形凹槽8-1，所述竖直壁5-2和盖板8之间还通过第二螺钉9和第一螺纹孔5-4固定连接，其中所述第一螺纹孔5-4沿纵向方向开设于所述竖直壁5-2上，所述盖板8沿纵向方向开设有第一通孔8-2；所述竖直壁5-2上位于半圆形凹槽5-3的两侧分别开设一第一螺纹孔5-4，所述盖板8上位于第二半圆形凹槽8-1的两侧分别对应开设一第一通孔8-2，所述第二螺钉9穿过第一通孔8-2与对应的第一螺纹孔5-4螺纹连接。
所述的盖板8的前、后两个侧面分别开设有第二螺孔8-3，所述竖直壁5-2的前、后两个侧面分别开设有第三螺孔5-5，所述夹板3的第一通孔3-1与第二螺孔8-3相对应，并通过第一螺钉4固定连接；所述夹板3的第二通孔3-2与第三螺孔5-5相对应，并通过第一螺钉4固定连接，其中所述第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2的左端夹持于竖直壁5-2和夹板3之间，所述第一螺钉4穿过第一压电悬臂梁1-1和第二压电悬臂梁1-2的左端所开设的孔洞。
参见图1、图7，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；所述弹簧的下端与框架5的底板5-1固定连接；所述固定式夹具的凹槽11-1为左右两端开口的凹槽。
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从水平方向的振动激励中收集能量；电磁俘能器从竖直方向的激励中收集能量，因此称为“二维混合式俘能器”，当外界振动沿着弹簧的轴向作用于整个俘能器时，第三磁铁通过外界振动和弹簧的作用上下振动，导致第三磁铁与线圈间产生相对运动，从而通过电磁感应效应将振动能转换为电能；同时，第三磁铁通过与第一磁铁和第二磁铁间的非线性斥力作用分别激励第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁以更高的频率振动，从而通过压电效应将振动能转换为电能。当外界振动沿着压电悬臂梁的振动方向作用于整个俘能器时，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁在外界振动的激励下振动，并通过压电效应将振动能转换为电能。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压电式俘能器包围电磁式俘能器，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)本发明采用压电式俘能器和电磁式俘能器分别从两个垂直的方向收集振动能，提高了俘能器的输出功率和适应性。
(4)本发明采用第三磁铁、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 (7)
1.一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：至少包括压电悬臂梁（1）、磁铁（2）、框架（5）、线圈（6）、圆筒（7）、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（5）包括相互固连在一起的底板（5-1）和竖直壁（5-2）；所述压电悬臂梁（1）包括第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2），所述第一压电悬臂梁（1-1）的固定端和所述竖直壁（5-2）的后端固定连接，所述第二压电悬臂梁（1-2）的固定端和所述竖直壁（5-2）后端固定连接，所述第一压电悬臂梁（1-1）的自由端与第一磁铁（2-1）固定连接，第二压电悬臂梁（1-2）的自由端与第二磁铁（2-2）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，第一压电悬臂梁（1-1）与第二压电悬臂梁（1-2）沿着水平方向振动；所述第一磁铁（2-1）与第二磁铁（2-2）同极相对，第一磁铁（2-1）与第二磁铁（2-2）的磁化方向沿着压电悬臂梁（1）的长度方向；第一压电悬臂梁（1-1）和第一磁铁（2-1）构成第一压电式俘能器；第二压电悬臂梁（1-2）和第二磁铁（2-2）构成第二压电式俘能器；所述圆筒（7）的左端与所述竖直壁（5-2）固定连接，所述线圈（6）套接于圆筒（7）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（5-1）相连接，固定式夹具（11）的上端设有固定式夹具凹槽（11-1），所述固定式夹具凹槽（11-1）内镶嵌有与其尺寸相匹配的第三磁铁（10），所述线圈（6）的右端与所述第三磁铁（10）相对；所述第三磁铁（10）与第一磁铁（2-1）和第二磁铁（2-2）的磁化方向相同，并与第一磁铁（2-1）和第二磁铁（2-2）的同磁极相对；所述第一压电悬臂梁（1-1）、第二压电悬臂梁（1-2）以及线圈（6）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所述的一种二维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）和第二压电悬臂梁（1-2）分别通过夹板（3）和第一螺钉（4）与框架（5）的竖直壁（5-2）固定连接。
3.如权利要求1所述的一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：所述的第一压电悬臂梁（1-1）包括压电元件（1-1-1）和长方形压电金属梁（1-1-2）；所述压电元件（1-1-1）通过导电胶固定于所述长方形压电金属梁（1-1-2）上；所述压电元件（1-1-1）沿长方形压电金属梁（1-1-2）厚度方向极化，压电元件（1-1-1）的电极串联或并联连接；所述第二压电悬臂梁（1-2）和第一压电悬臂梁（1-1）的结构相同。
4.如权利要求2所述的一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：所述夹板（3）为长方形片状结构，夹板（3）上沿其厚度方向开设有第一通孔（3-1）和第二通孔（3-2）；第一通孔（3-1）用于通过第一螺钉（4）将夹板（3）与盖板（8）固定连接，第二通孔（3-2）用于通过第一螺钉（4）将夹板（3）与框架（5）固定连接；所述盖板（8）用于将圆筒（7）的左端夹持于盖板（8）和所述竖直壁（5-2）的顶端之间。
5.如权利要求4所述的一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：所述竖直壁（5-2）的上端开设有第一半圆形凹槽（5-3），所述盖板（8）的下端开设有用于和所述第一半圆形凹槽（5-3）配合来夹持所述圆筒（7）的第二半圆形凹槽（8-1），所述竖直壁（5-2）和盖板（8）之间还通过第二螺钉（9）和第一螺纹孔（5-4）固定连接，其中所述第一螺纹孔（5-4）沿纵向方向开设于所述竖直壁（5-2）上，所述盖板（8）沿纵向方向开设有第一通孔（8-2）；所述竖直壁（5-2）上位于第一半圆形凹槽（5-3）的两侧分别开设一第一螺纹孔（5-4），所述盖板（8）上位于第二半圆形凹槽（8-1）的两侧分别对应开设一第一通孔（8-2），所述第二螺钉（9）穿过第一通孔（8-2）与对应的第一螺纹孔（5-4）螺纹连接。
6.如权利要求5所述的一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：所述的盖板（8）的前、后两个侧面分别开设有第二螺孔（8-3），所述竖直壁（5-2）的前、后两个侧面分别开设有第三螺孔（5-5），所述夹板（3）的第一通孔（3-1）与第二螺孔（8-3）相对应，并通过第一螺钉（4）固定连接；所述夹板（3）的第二通孔（3-2）与第三螺孔（5-5）相对应，并通过第一螺钉（4）固定连接，其中所述第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2）的左端夹持于竖直壁（5-2）和夹板（3）之间，所述第一螺钉（4）穿过第一压电悬臂梁（1-1）和第二压电悬臂梁（1-2）的左端所开设的孔洞。
7.如权利要求1所述的一种二维压电电磁混合式俘能器，其特征在于：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；所述弹簧的下端与框架（5）的底板（5-1）固定连接；所述固定式夹具凹槽（11-1）为左右两端开口的凹槽。
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