CN107863904A - 双稳态压电—电磁复合能量收集结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构。该结构包括：静态结构和动态结构；静态结构包括壳体，壳体内安装有上部磁铁和上部线圈，下部磁铁和下部线圈；动态机构包括圆弧形悬臂梁、弹簧、振子磁铁、螺杆、螺母，在自然状态下，圆弧形悬臂梁稳定在中间位置；振子磁铁和上端下端磁铁均沿轴向磁化，且相互排斥；在外界激励下，螺栓带动弹簧振动，使得圆弧形悬臂梁运动；在磁力和外界激励共同作用下，使圆弧形悬臂梁产生应力或应变，进而压电元件变形产生电荷，电能通过电极端导线输出；另一方面，圆弧形悬臂梁上的振子磁铁在圆弧形悬臂梁进行两种状态跳变的时候，磁铁在线圈中切割磁感线并产生感应电流，电流通过导线输出。

Description

双稳态压电—电磁复合能量收集结构

技术领域：

本发明涉及一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，主要涉及对周围环境中振动能量进行收集，属于可再生能源领域。

背景技术：

随着MEMS和无线传感网络技术的不断发展，无线传感器在环境监测、结构健康监测、建筑、军事等应用领域得到了广泛的运用，使得能量收集技术成为无线传感网络自供电和结构微型化的关键发展技术之一。传统的化学电池因存在寿命短、污染环境、需要定期更换等缺点，对于工作在环境条件苛刻或人员难以接近的地方使用电子设备，更换电池不仅成本高有时甚至难以实现；因此，能量收集技术因具有结构简单，成本低，易于系统集成，能量密度高等优点得到了迅速发展。利用压电材料的正压电效应和电磁材料的电磁感应原理，将周围环境中的振动能量转化成电能，能够产生较高电压而且不需要额外的电源供电，能够实现对电子设备和无线传感器持续进行供电，保证正常工作。

振动能是自然界中普遍存在的能量形式，并且具有较高的能量密度，通常收集振动能量的主要方法是利用静电式、电磁式、压电式、压电-电磁复合式等方法。将外部的振动能转化成电能，压电能量收集是在压电梁上下表面粘贴的压电元件受到应力和应变的作用会产生电荷输出；同时，电磁式是通过压电梁振动使自由端的磁铁与上下线圈发生相对运动，从而使线圈中产生感应电流。收集的能量能够满足对微电子器件的供电要求，符合微电子器件供电的发展趋势，在振动能量回收领域中得到了广泛的应用。

发明内容：

针对目前压电悬臂梁应变不均匀、变形量随振动变化而变化、工作频带窄、发电效率低、单位时间发电量小等缺陷；为了使压电发电装置能够更适应环境中的振动，提高压电结构的发电量，本发明提供了一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，实现对周围环境中的振动能量进行收集。

为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构包括动态结构和静态结构。

所述的静态结构包括箱式的壳体4，壳体4内侧上表面安装有磁铁1和线圈5，在壳体的下表面位置上，与磁铁1相对应的位置上安装线圈13，与线圈5相对应的位置上安装磁铁8。

所述的动态结构包括双稳态圆弧形悬臂梁7，将双稳态圆弧形悬臂梁7通过弹簧2和弹簧12连接，弹簧12下端与螺栓11连接，螺栓11通过双螺母10固定在壳体4上，弹簧2上端与螺杆3连接，螺杆3传递外界振动；在双稳态圆弧形悬臂梁7表面粘贴有至少一个弹性压电元件9，双稳态圆弧形悬臂梁7末端安装有振子磁铁6、振子磁铁14；所述的圆弧形悬臂梁7是利用弧形形变分布均匀的特点，可以使在其表面粘贴的压电元件应变分布均匀，压电材料能够产生最大的形变；所述的振子磁铁6，振子磁铁14和磁铁1，磁铁8都是沿轴向磁化，且相互排斥。

工作时，将箱式的壳体4固定在机械结构或建筑结构等能够产生振动的结构上，在外界的振动作用下，螺栓9在振动的激励下，带动弹簧2和弹簧12运动，在受到振子磁铁6和磁铁8，磁铁1和振子磁铁14的相互斥力的作用下，双稳态圆弧形悬臂梁7在两种稳态之间跳变，压电元件9会在应变作用下，将机械应变转化成电能；在两种稳态之间跳变时，振子磁铁和线圈会发生相对运动，会产生感应电流，将电流通过导线输出。

所述的振子磁铁6，振子磁铁14和磁铁1，磁铁8沿着轴向磁化，都采用钕铁硼永磁铁；所述的弹簧2和弹簧12都采用轻质弹簧；所述的双稳态圆弧形悬臂梁7具有在外部载荷作用下能够在两种稳态之间跳变，双稳态圆弧形悬臂梁上产生均匀的应变；所述的箱式的壳体4的材料为铝或铝合金等轻金属材料，并壳体4的内侧顶壁和内侧底壁上分别设有绝缘层，从而避免了与下部线圈13和上部线圈5在产生感应电流时导通；所述的圆弧形悬臂梁7的材料为弹性金属；所述的压电元件9的材料为压电聚合物。

本发明与现有技术比较，有益技术效果体现在以下几个方面：

1.本发明是一种压电-电磁复合能量收集结构，同时利用了压电效应和电磁感应现象两种发电原理进行收集能量，空间结构利用率高，提高了能量采集效率，实用性强，通过对环境中的振动能量进行收集而代替化学电池为其他微电子设备、无线传感节点等微功耗器件供电，其属于环境友好型能量收集装置。

2.本发明使用了双稳态圆弧形悬臂梁和振子磁铁代替了传统弹性悬臂梁和振子质量块，传统的悬臂梁是采用固定的连接方式连接，而本发明是通过双稳态圆弧形悬臂梁在磁力作用下在两种稳态之间跳变，同时在电磁感应现象和压电效应的作用下，对能量进行收集，能量收集效率高。

3.本发明是一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，对于整个装置而言，存在着两种稳态，螺母在外界的激励和磁铁的磁力作用下，使得圆弧形悬臂梁在两种稳态之间跳变，从而产生双稳态结构；可进一步提高外界振动频率，能够显著增大系统的带宽，增加弹性元件和压电元件的变形量，线圈和磁铁上下运动的速率加快，可以提高电流的输出，同时增大电量输出。

附图说明：

图1是本发明双稳态压电—电磁复合能量收集结构；

图2是本发明结构的静态结构；

图3是本发明结构的动态结构；

图4是本发明结构在两种稳态进行跳变时结构；

图5是本发明结构在上方稳态时的受力图；

图6是本发明结构在压电元件表面粘贴压电元件。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或是结构，其中：1为上部磁铁；2为上端弹簧；3为螺杆；4为壳体；5为上部线圈；6、14为振子磁铁；7为圆弧形悬臂梁；8为下部磁铁；9为弹性压电元件；10为螺母；11为螺栓；12为下端弹簧；13为下部线圈。

具体实施方式：

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步详细的说明。

参见图1，双稳态压电—电磁复合能量收集结构，该结构包括静态结构和动态结构。参见图2，所述的静态结构包括箱式的壳体4，壳体4内侧上表面安装有磁铁1和线圈5，在壳体的下表面位置上，与磁铁1相对应的位置上安装的是线圈13，与线圈5相对应的位置上安装磁铁8；壳体4的材料选择为铝或铝合金等轻金属材料；壳体4的内侧顶壁和内侧底壁上都设有绝缘层，从而能够避免上部线圈11和下部线圈5产生感应电流会导通。参见图3，所述的动态结构包括双稳态圆弧形悬臂梁7，双稳态圆弧形悬臂梁7采用弹性金属，将双稳态圆弧形悬臂梁7通过弹簧2和弹簧12连接，弹簧12下端与螺栓11连接，弹簧2上端与螺杆3连接，所述的弹簧采用轻质弹簧，螺杆3传递外界振动，螺杆采用硬质金属，在双稳态圆弧形悬臂梁7表面粘贴有至少一个弹性压电元件9，双稳态圆弧形悬臂梁7末端安装有振子磁铁6和振子磁铁14，其中振子磁铁6和振子磁铁14在顶端磁铁1和底端磁铁8的磁铁斥力和外界激励力作用小在两种稳态之间跳变，并振子磁铁6和振子磁铁14在进行结构跳变时，振子磁铁6上部和振子磁铁14下部会在线圈中切割磁感线，所述的振子磁铁直径是线圈直径的一半，所述的磁铁都采用钕铁硼永磁铁，均沿着轴向磁化，并相互排斥。

工作时，将箱式的壳体4固定在机械结构或建筑结构等能够产生振动的结构上，螺杆3在外界振动的激励作用下，带动弹簧2和弹簧12运动，振子磁铁6与磁铁8分别受到振子磁铁14和磁铁1的斥力的作用，使得双稳态圆弧形悬臂梁7在两种稳态之间跳变，压电元件9会产生应变，将机械应变转化成电能；另一方面，在两种应变之间跳变时振子磁铁6上半部分和线圈5，振子磁铁14下半部分和线圈13会发生相对运动，在线圈里切割磁感线会产生感应电流，将产生的感应电流通过导线输出。

参见图4和图5，在结构中忽略线圈中感应电流产生磁场对圆弧形悬臂梁7末端的振子磁铁6和磁铁14的微小作用力和重力的影响，当圆弧形悬臂梁7到达上方稳态时，在外界的激励下和振子磁铁6和磁铁8的磁力和振子磁铁14和磁铁1的磁力的作用下，圆弧形悬臂梁会重新工作到另一稳态，在两种稳态下运动，同时在压电效应和电磁感应现象的作用下，进行能量收集，增加了能量收集的效率；参见图6，在本实施例中，在圆弧形悬臂梁7表面粘贴若干压电元件9。

本发明是一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，可用于对机械结构、建筑结构等能够产生振动的结构进行能量进行收集。在本发明中是一种压电—电磁复合能量收集结构，本发明同时运用了电磁感应现象和压电效应两种发电原理进行工作，空间利用率高，有效的收集了环境中的振动能，可用来代替化学电池对建筑、桥梁、无线传感节点等微功耗系统供电，是一种属于可再生能源领域的压电能量收集装置。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案及有益效果进行了进一步详细说明，但所理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：包括静态结构和动态结构；所述的静态结构包括箱式的壳体，壳体内侧上表面安装有磁铁和线圈，在壳体的下表面位置，与上表面磁铁相对应的位置上安装的是线圈，与上表面线圈相对应的位置上安装的是磁铁；所述的动态结构包括双稳态圆弧形悬臂梁，双稳态圆弧形悬臂梁与上端弹簧和下端弹簧连接，下端弹簧与螺栓连接，螺栓通过双螺母固定在壳体上，上端弹簧与螺杆连接，螺杆传递外界振动，在外界激励下，螺杆带动弹簧使双稳态圆弧形悬臂梁运动，在磁力和外界激励共同作用下，圆弧形悬臂梁上的振子磁铁在圆弧形悬臂梁进行两种稳态跳变时，磁铁在线圈中切割磁感线并产生感应电流，电流通过导线输出；另一方面，圆弧形悬臂梁进行两种稳态跳变时，使得圆弧形悬臂梁产生应变，进而压电元件变形产生电荷，电能通过电极端导线输出；所述的在双稳态圆弧形悬臂梁表面粘贴有至少一个弹性压电元件，双稳态圆弧形悬臂梁末端安装有振子磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：所述的双稳态圆弧形压电悬臂梁采用铝或铝合金等弹性金属材料，在双稳态悬臂梁上下表面粘贴压电元件，构成压电元件、金属层、压电元件的三明治结构；双稳态圆弧形压电悬臂梁具有一定曲率和等应变的特点，在受到外界激励作用下在两种稳态之间跳变。

3.根据权利要求1所述的一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：所述的磁铁均沿轴向磁化，且相互排斥，采用钕铁硼永磁铁。

4.根据权利要求1所述的一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：所述弹簧采用的是轻质弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：所述的壳体在上下面中心对称位置打有圆孔，外界激励通过螺杆传递，螺杆通过上端圆孔与上端弹簧连接，螺栓通过下端圆孔与下端弹簧连接，利用双螺母将螺栓固定在壳体上；壳体可选用铝或铝合金等金属材料；壳体内侧的上表面和壳体的下表面上均设有绝缘层，从而避免与所述的上端线圈和下端线圈产生电流导通。

6.根据权利要求1所述的一种双稳态压电—电磁复合能量收集结构，其特征在于：所述的弹性压电元件可以采用压电晶片或压电薄膜等压电聚合物。