CN108683359B - 一种多自由度上变频复合式振动俘能器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种振动俘能器，包括压电俘能部和电磁俘能部。该振动俘能器将压电俘能和电磁俘能结合起来，结构简单，安装方便，无需复杂线路，无需定期维护或更换；适用于无源、无线等特殊或恶劣环境，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、维护成本低等优点。
Description
技术领域
本申请涉及一种振动俘能器，特别涉及一种环境振动条件下通过增加自由度及上变频的方式提高输出功率的多自由度上变频振动俘能器，属于新能源和发电技术领域。
背景技术
微电子器件主要由外部电源及化学电池这两种方式供电。外部电源供电线路复杂，需要定期维护，且其无法适用于无源、无线等环境。化学电池需要定期更换，能量密度低，易造成环境污染。因此，寻找一种节能而不受环境限制的能源就成了当务之急。
日常生活中振动源普遍存在，将振动能量收集并储存起来，可用于解决电子器件的能量来源问题。目前的振动俘能途径有压电俘能、电磁俘能等。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种多自由度上变频复合式振动俘能器，该振动俘能器将压电俘能和电磁俘能结合起来，充分利用环境振动能量，获得更大的输出电流和输出电压，结构简单，安装方便，无需复杂线路，无需定期维护或更换；适用于无源、无线等特殊或恶劣环境，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。
所述振动俘能器，其特征在于，包括压电俘能部和电磁俘能部。
作为一种实施方式，所述压电俘能部包括压电层，所述电磁俘能部包括线圈。
作为一种实施方式，所述振动俘能器还包括压电俘能部和电磁俘能部共用的基底梁、弹簧和永磁体；
所述永磁体在压电俘能部用作质量块；
所述永磁体在电磁俘能部用于产生电磁发电的磁场。
作为一种实施方式，所述振动俘能器还包括壳体；
所述壳体顶部内壁连接所述弹簧的一端；所述弹簧的另一端连接所述永磁体，并使所述永磁体的充磁方向垂直于所述壳体顶部，所述永磁体可随所述弹簧进行多自由度摆动；
围绕所述弹簧和所述永磁体的外部设置有所述基底梁；所述基底梁的一端于所述壳体连接；
所述基底梁背对所述永磁体的面上附有所述压电层和所述线圈；所述压电层位于靠近所述基底梁与所述壳体连接端的部分，所述线圈位于远离所述基底梁与所述壳体连接端的部分。
作为一种实施方式，所述压电层包括压电片、上电极和下电极；所述压电层连接有上电极和下电极；所述上电极连接有上电极引线，所述下电极连接有下电极引线。
优选地，所述压电片为压电陶瓷片。
作为一种实施方式，所述基底梁的数量为5，分别围绕于所述弹簧和所述永磁体的四周和底端。
作为一种实施方式，所述围绕于所述弹簧和所述永磁体四周的基底梁的数量为4，其一端分别与壳体顶部内壁连接并与壳体顶部垂直；
所述围绕于所述弹簧和所述永磁体底端的基底梁的数量为1，其一端与所述壳体内壁连接并与壳体顶部平行。
优选地，所述振动俘能器在竖直状态下使用。
作为一种具体的实施方式，所述振动俘能器，包括壳体、弹簧、压电层、基底梁、线圈、永磁体、上电极、压电片、下电极、压电片上电极引线、压电片下电极引线。壳体内壁顶部靠弹簧连接一永磁体，永磁体充磁方向垂直于壳体顶部，在振动环境中，永磁体可随弹簧在多个方向上摆动。弹簧及永磁体外围三个自由度(五个方向)上布置有五块相同材料的基底梁，每个基底梁背对永磁体的一面上均黏贴有压电层及线圈，压电层包括压电片、上电极和下电极，基底梁与压电层均为矩形，但压电层在长度方向上短于基底梁，以便留出空间黏贴线圈，永磁体摆动时可敲击五块基底梁面对永磁体的一面，不致损坏压电层。其中四块基底梁在长度方向上与壳体顶部垂直固定连接，同时，在壳体一侧的壁面上水平伸出另一块相同的基底梁，永磁体摆动时敲击五块基底梁。压电层均有上电极引线和下电极引线引出，分别作为输出电能的正负两极。所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体、基底梁、弹簧、永磁体。压电俘能部分包括基底梁、压电层、弹簧、永磁体、压电片上电极、压电片下电极，在压电俘能部分中永磁体作为质量块使用；电磁俘能部分包括弹簧、永磁体、线圈，在电磁俘能部分中永磁体用于产生电磁发电所需磁场。
所述振动俘能器的工作过程为：
在振动环境中，壳体产生振动。对于压电俘能部分，壳体的振动带动各自由度的基底梁及黏贴其上的压电层振动，由于正压电效应的存在，压电层的上下电极产生相应的正负电荷，产生的电荷通过上下电极的引线输出；同时，弹簧带动永磁体摆动，永磁体摆动时敲击各个自由度的基底梁，提高基底梁的振动频率，使其更易与环境发生共振，俘能效果最好。对于电磁俘能部分，基底梁上黏贴有线圈，永磁体摆动时线圈切割磁感线，由于电磁感应的存在，线圈内产生感应电流。
本申请中，所述振动俘能器将压电俘能和电磁俘能综合起来，充分利用环境中的振动能。为提高压电俘能部分的发电量，在多个自由度布置有基底梁，提高了振动能量的利用率，同时采用上变频方式，提高压电层的振动频率；为提高电磁俘能部分的发电量，布置多个线圈，充分发挥了永磁体摆动和发电的功能。
根据本申请的另一个方面，提供了上述任一振动俘能器在储能和/或供能方面的应用。
根据本申请的又一个方面，提供了上述任一振动俘能器在无线传感系统、智能控制系统、可穿戴系统中的应用。
本申请能产生的有益效果包括但不限于：
1)本申请所提供的振动俘能器，将压电俘能和电磁俘能结合起来，在多个自由度布置有压电层和线圈，充分利用环境振动能量，获得更大的输出电流和输出电压，多自由度可提高振动能量的利用率，上变频方式可提高振动频率，是一种多自由度上变频复合式振动俘能器，克服了单一类型俘能器输出功率不足的缺点，在体积参数不变的条件下提高输出功率。
2)本申请所提供的振动俘能器，与传统外部电源及化学电池供电方式相比，结构简单，安装方便，无需复杂线路，无需定期维护或更换；利用环境中的振动能，无污染、可持续；适用于无源、无线等特殊或恶劣环境。
3)本申请所提供的振动俘能器，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。
4)本申请所提供的振动俘能器，着眼于收集振动能，使其为机械设备上的传感器等微小器件供电，可解决微小型电子设备的供能问题，可在空间有限、环境恶劣、振动条件下应用。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中振动俘能器的整体结构示意图。
图2为本申请一种实施方式中振动俘能器的整体结构主视图。
图3为本申请一种实施方式中振动俘能器的整体结构仰视图。
部件和附图标记列表：
1—壳体；2—弹簧；3—压电层；4—基底梁；5—线圈；
6—永磁体；7—压电片；8—压电片上电极；9—压电片下电极；
10—基底梁；11—压电片上电极引线；12—压电片下电极引线。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达到预期目的所采取的技术手段及本发明的功用，使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功用做如下详细说明。
如图1、2、3所示，本发明提供的多自由度上变频复合式振动俘能器，包括压电俘能部和电磁俘能部。所述压电俘能部包括压电层(3)，所述电磁俘能部包括线圈(5)。
具体地，所述振动俘能器包括壳体(1)、弹簧(2)、压电层(3)、垂直与壳体(1)顶部的基底梁(4)、线圈(5)、永磁体(6)、压电片(7)、上电极(8)、下电极(9)、平行于壳体(1)顶部的基底梁(10)、压电片上电极引线(11)、压电片下电极引线(12)。壳体(1)顶部内壁靠弹簧(2)连接一永磁体(6)，永磁体(6)充磁方向垂直于壳体(1)顶部，在振动环境中，永磁体(6)可随弹簧(2)在多个方向上摆动。弹簧(2)及永磁体(6)外围三个自由度(五个方向)上布置有五块相同材料的基底梁，分别是4块垂直与壳体(1)顶部的基底梁(4)和1块平行于壳体(1)顶部的基底梁(10)；每个基底梁(4)和(10)背对永磁体(6)的一面上均黏贴有压电层(3)及线圈(5)，压电层包括压电片(7)、上电极(8)和下电极(9)，基底梁(4)和(10)与压电层(3)均为矩形，但压电层(3)在长度方向上短于基底梁(4)和(10)，以便留出空间黏贴线圈(5)，永磁体(6)摆动时可敲击五块基底梁(4)和(10)面对永磁体(6)的一面，不致损坏压电层(3)。其中四块基底梁(4)在长度方向上与壳体(1)顶部垂直固定连接，同时，在壳体一侧的壁面上水平伸出另一块相同的基底梁(10)，永磁体(6)摆动时敲击五块基底梁(4)和(10)。压电层(3)等均有上电极引线(11)和下电极引线(12)引出，分别作为输出电能的正负两极。
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体(1)、基底梁(4)、弹簧(2)、永磁体(6)。压电俘能部分包括基底梁(4)、压电层(3)、弹簧(2)、永磁体(6)、压电片上电极(11)、压电片下电极(12)，在压电俘能部分中永磁体(6)作为质量块使用；电磁俘能部分包括弹簧(2)、永磁体(6)、线圈(5)，在电磁俘能部分中永磁体(6)用于产生电磁发电所需磁场。
本发明公开的一种多自由度上变频复合式振动俘能器，将压电俘能和电磁俘能综合起来，充分利用环境中的振动能。为提高压电俘能部分的发电量，在多个自由度布置有基底梁(4)和(10)，提高了振动能量的利用率，同时采用上变频方式，提高压电层(3)的振动频率；为提高电磁俘能部分的发电量，布置多个线圈(5)，充分发挥了永磁体(6)摆动和发电的功能。
本发明公开的一种多自由度上变频复合式振动俘能器竖直放置俘能效果最优。
作为一种具体的实施方式，所述压电层(3)为压电陶瓷片。
结合图1、2和3，多自由度上变频复合式振动俘能器工作过程为：
振动环境中，壳体(1)产生振动。对于压电俘能部分，壳体(1)的振动带动各自由度的基底梁(4)和(10)及其上的压电层(3)振动，由于正压电效应的存在，压电层(3)上下电极产生相应的正负电荷，产生的电荷通过上下电极的引线输出。同时，弹簧(2)带动永磁体(6)摆动，永磁体(6)摆动时敲击各个自由度的基底梁(4)和(10)，提高基底梁(4)和(10)的振动频率，使其更易与环境发生共振，俘能效果最好；对于电磁俘能部分，基底梁(4)和(10)上黏贴有线圈(5)，永磁体(6)摆动时线圈(5)切割磁感线，由于电磁感应的存在，线圈(5)内产生感应电流。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种振动俘能器，其特征在于，包括压电俘能部和电磁俘能部；
所述压电俘能部包括压电层，所述电磁俘能部包括线圈；
所述振动俘能器还包括压电俘能部和电磁俘能部共用的基底梁、弹簧和永磁体；
所述永磁体在压电俘能部用作质量块；
所述永磁体在电磁俘能部用于产生电磁发电的磁场；
所述振动俘能器还包括壳体；
所述壳体顶部内壁连接所述弹簧的一端；所述弹簧的另一端连接所述永磁体，并使所述永磁体的充磁方向垂直于所述壳体顶部，所述永磁体可随所述弹簧进行多自由度摆动；
围绕所述弹簧和所述永磁体的外部设置有所述基底梁；所述基底梁的一端与所述壳体连接；
所述基底梁背对所述永磁体的面上附有所述压电层和所述线圈；所述压电层位于靠近所述基底梁与所述壳体连接端的部分，所述线圈位于远离所述基底梁与所述壳体连接端的部分。
2.根据权利要求1所述的振动俘能器，其特征在于，所述压电层包括压电片、上电极和下电极；所述压电层连接有上电极和下电极；所述上电极连接有上电极引线，所述下电极连接有下电极引线。
3.根据权利要求2所述的振动俘能器，其特征在于，所述压电片为压电陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的振动俘能器，其特征在于，所述基底梁的数量为5，分别围绕于所述弹簧和所述永磁体的四周和底端；
所述围绕于所述弹簧和所述永磁体四周的基底梁的数量为4，其一端分别与壳体顶部内壁连接并与壳体顶部垂直；
所述围绕于所述弹簧和所述永磁体底端的基底梁的数量为1，其一端与所述壳体内壁连接并与壳体顶部平行。
5.根据权利要求1所述的振动俘能器，其特征在于，所述振动俘能器在竖直状态下使用。
6.权利要求1至5任一项所述的振动俘能器在储能和/或供能方面的应用。
7.权利要求1至5任一项所述的振动俘能器在无线传感系统、智能控制系统、可穿戴系统中的应用。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191015 Termination date: 20200504 |