CN109560721A - 一种复合式振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合式振动能量采集器，包括外壳和盖板，外壳内自上而下设有第一永磁体、上热解石墨板、第一感应线圈、第一摩擦层、第二摩擦层、第二永磁体、第三摩擦层、第四摩擦层、第二感应线圈和下热解石墨板。本发明一方面使得第一摩擦层和第二摩擦层以及第三摩擦层和第四摩擦层发生相对运动而形成摩擦电荷，另一方面第二永磁体撞击外壳上的压电片时会引起压电片产生形变而产生压电电荷，同时，第二永磁体在运动过程中会引起周围磁场的变化，从而导致第一感应线圈和第二感应线圈内磁通量发生变化进而在线圈中产生感应电动势，本发明能够有效地将机械能转化为电能，能够采用多种采集方式进行振动能量采集，大大提高了能量转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源采集技术领域，具体涉及一种复合式振动能量采集器，其可以采用多种方式实现能量的采集，将环境中的振动能转化为电能，可以提高能量采集的效率。
背景技术
随着能源问题越来越严峻，需求能够采集周围环境中的能量转化为电能的系统成为了人们研究的一大热点。今年来随着MEMS技术和无线传感网络的快速发展，无线传感网络被用于多重应用领域，比如环境监测，医疗远程诊断和结构监测等领域，目前这些无线传感网络中依然采用化学电池来为其供能，但电池的能源有限，且寿命短、有污染，不是一种理想的供能方式，而环境中的机械振动无处不在，使利用环境中的振动能量代替传统化学电池和电源线为之供电成为可能。振动能量采集可以应用到各个领域，许多有振动的物体，比如汽车、火车、桥梁以及楼宇都有一定频率的振动来源，而人的日常行走也有一定的振动来源。这些振动来源都蕴含有丰富的能量，如果能将这些能量合理的收集起来，可以供电子器件使用。
目前研究中用于振动能量采集的主要方式有压电式、电磁式、静电式及磁致伸缩式，压电式能量采集器主要特点是输出电压高、压电梁通常需要工作在频率较高的范围；而电磁式能量采集器的特点是其输出电流较大、电压较小。通常研究的能量采集器采集能量方式比较单一，能量采集效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复合式振动能量采集器，其同时采用电磁式、压电式以及摩擦生电的振动能量采集方式，其具有采集方式多样，响应频带宽，能量采集效率高。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种复合式振动能量采集器，包括外壳和固定在外壳顶端的盖板，外壳内自上而下设有第一永磁体、上热解石墨板、第一感应线圈、第一摩擦层、第二摩擦层、第二永磁体、第三摩擦层、第四摩擦层、第二感应线圈和下热解石墨板，第一永磁体与第二永磁体均沿竖直方向磁化且磁化方向相同，第一永磁体固定在盖板的底面上，上热解石墨板位于第一永磁体下方且与外壳的内壁固连，第一感应线圈固定在上热解石墨板的底面上，第一摩擦层覆盖在第一感应线圈上，第二永磁体位于上热解石墨板下方，第二摩擦层覆盖在第二永磁体的顶面上，第三摩擦层覆盖在第二永磁体的底面上，下热解石墨板位于第二永磁体下方且与外壳的内壁固连，第二感应线圈固定在下热解石墨板的顶面上，第四摩擦层覆盖在第二感应线圈上，第二永磁体在竖直方向上受到第一永磁体的磁吸引力和下热解石墨板的抗磁力之和与上热解石墨板的抗磁力和自身的重力之和相等，第二永磁体上的第二摩擦层与上热解石墨板上的摩擦层摩擦接触，第二永磁体上的第三摩擦层与下热解石墨板上的第四摩擦层摩擦接触，外壳的周壁上均布有呈环状排列的弧状孔，弧状孔内嵌有压电片，第二永磁体的中心平面和压电片的中心平面位于同一水平面上。
所述第一永磁体、上热解石墨板、第一感应线圈、第一摩擦层、第二摩擦层、第二永磁体、第三摩擦层、第四摩擦层、第二感应线圈和下热解石墨板中心轴线位于同一轴线上。
所述第一永磁体和第二永磁体形状相同，第一永磁体为方形或圆环形或圆柱形。
所述外壳为空心的圆柱体或长方体状，外壳和盖板均采用不导磁材料制成。
所述弧状孔的数量为两个或三个或四个。
所述上热解石墨板和下热解石墨板的形状相同，上热解石墨板为圆形或方形，上热解石墨板和下热解石墨板均为高定向热解石墨板。
所述第一感应线圈和第二感应线圈均由铜或铝或银材料制成。
所述压电片采用石英晶体或压电陶瓷材料制成。
所述第一摩擦层为刚性材料，第二摩擦层为柔性材料，或者第一摩擦层为柔性材料，第二摩擦层为刚性材料；第三摩擦层为刚性材，第四摩擦层为柔性材料；或者第三摩擦层为柔性材料，第四摩擦层为刚性材料。
所述第二摩擦层、第三摩擦层和第二永磁体直径大小相同；第一摩擦层与上热解石墨板直径大小相同；第四摩擦层与下热解石墨板直径大小相同。
本发明将第二永磁体设置在上热解石墨板和下热解石墨板中间，由于上热解石墨板、下热解石墨板的抗磁性以及第一永磁体对第二永磁体的磁性吸引力和第二永磁体本身的重力作用条件下，在适当的间距调整下，使得第二永磁体上的第二摩擦层、第三摩擦层分别与第一摩擦层、第四摩擦层摩擦接触，而且减少第二永磁体对第四摩擦层的正压力，使第二永磁体更加容易产生相对滑动，同时第二永磁体受到来自第一永磁体的侧向力，当第二永磁体偏离中心位置时，该侧向力使第二永磁体趋向于中心位置运动，其可以等效为水平方向的弹簧力，当该复合式振动能量采集器受到外界振动激励时，第二永磁体会产生水平方向移动，一方面使得第一摩擦层和第二摩擦层以及第三摩擦层和第四摩擦层发生相对运动而形成正负摩擦电荷，另一方面第二永磁体撞击外壳上的压电片时会引起压电片产生形变而在压电片表面产生正负压电电荷，之后可通过引线将摩擦电荷和压电电荷收集，同时，第二永磁体在运动过程中会引起周围磁场的变化，从而导致第一感应线圈和第二感应线圈内磁通量发生变化进而在线圈中产生感应电动势，通过导线可将产生的感应电荷和电动势传输到微电子器件中加以利用，本发明能够有效地将机械能转化为电能，环境适应能力强，可适应多种频率的振动环境，采用多种采集方式进行振动能量采集，大大提高了能量转化效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的轴向切面图。
图3为本发明的结构爆炸图。
图4为图3中A区域放大结构示意图。
图5为图3中B区域放大结构示意图。
图6为发明的结构爆炸图。
图7为图6中C区域放大结构示意图。
图8为图6中D区域放大结构示意图。
图9为本发明的第四摩擦层、第二感应线圈和下热解石墨板的结构示意图。
图10为本发明的压电片工作原理示意图。
图11为本发明的摩擦层工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-图9所示，一种复合式振动能量采集器，包括外壳12和盖板1，外壳12为空心的圆柱体或长方体状，外壳12的顶端设有端口，盖板1固定在端口处，当外壳12为空心的圆柱体结构时，外壳的外径可设计为30mm，外壳的高度为32mm，外壳的壳体厚度为2.5mm，盖板设置成直径为28mm，高度为2mm的圆柱体，这样方便携带，为了防止磁铁受到外壳和盖板的作用力，外壳和盖板均采用非导磁材料制成。外壳12内自上而下设有第一永磁体2、上热解石墨板3、第一感应线圈4、第一摩擦层5、第二摩擦层6、第二永磁体7、第三摩擦层8、第四摩擦层9、第二感应线圈10和下热解石墨板11，第一永磁体2与第二永磁体7均沿竖直方向磁化且磁化方向相同，第一永磁体2固定在盖板1的底面上，上热解石墨板3位于第一永磁体2下方且与外壳12的内壁固连，第一感应线圈4固定在上热解石墨板3的底面上，第一摩擦层5覆盖在第一感应线圈4上，第二永磁体7位于上热解石墨板3下方，第二摩擦层6覆盖在第二永磁体7的顶面上，第三摩擦层8覆盖在第二永磁体7的底面上，下热解石墨板11位于第二永磁体7下方且与外壳12的内壁固连，第二感应线圈10固定在下热解石墨板11的顶面上，第四摩擦层9覆盖在第二感应线圈10上，第二永磁体7在竖直方向上受到第一永磁体2的磁吸引力和下热解石墨板11的抗磁力之和与上热解石墨板3的抗磁力和第二永磁体自身的重力之和相等，第二永磁体7上的第二摩擦层与上热解石墨板3上的第一摩擦层5摩擦接触，第二永磁体7上的第三摩擦层与下热解石墨板11上的第四摩擦层5摩擦接触，外壳12的圆周壁上均布有呈环状排列的弧状孔，弧状孔内嵌有压电片13，第二永磁体2的中心平面和压电片13的中心平面位于同一水平面上。本发明利用抗磁悬浮技术将第二永磁体微悬浮起来，减少第二永磁体对第四摩擦层的正压力，使第二永磁体更加容易产生相对滑动，同时第二永磁体受到来自第一永磁体的侧向力，当第二永磁体偏离中心位置时，该侧向力使第二永磁体趋向于中心位置运动，其可以等效为水平方向的弹簧力，当该复合式振动能量采集器受到外界振动激励时，第二永磁体会产生水平方向移动，一方面使得第一摩擦层和第二摩擦层以及第三摩擦层和第四摩擦层发生相对运动而形成摩擦电荷，另一方面第二永磁体撞击外壳上的压电片时会引起压电片产生形变而产生压电电荷，之后通过引线将摩擦电荷和压电电荷收集，如图10-图11，同时，第二永磁体在运动过程中会引起周围磁场的变化，从而导致第一感应线圈和第二感应线圈内磁通量发生变化进而在线圈中产生感应电动势，然后采用现有技术中的能量管理电路将产生的感应电荷和电动势传输到微电子器件中加以利用。
第一永磁体2、上热解石墨板3、第一感应线圈4、第一摩擦层5、第二摩擦层6、第二永磁体7、第三摩擦层8、第四摩擦层9、第二感应线圈10和下热解石墨板11中心轴线位于同一轴线上，这样会有更多的磁场线来切割第一感应线圈4和第二感应线圈10，使得第一感应线圈和第二感应线圈在线圈中产生更多感应电动势，提高能量转化效率。
第一永磁体2和第二永磁体7形状相同，第一永磁体2为方形或圆环形或圆柱形，当第一永磁体2为圆柱形时，可采用钕铁硼圆柱形永磁体，牌号为N52，第一永磁体2的直径可设计为12.7mm，高度为6.35mm；第二永磁体7的直径可设计为12mm，高度为4mm，其重量较轻，以便第二永磁体悬浮起来。
弧状孔的数量为两个或三个或四个，为了增加第二永磁体在运动时碰触到压电片13的机率，优选在外壳12的圆周壁上设置四个弧状孔，弧状孔的大小和压电片的外观形状相吻合，以便于压电片镶嵌在弧状孔内。
上热解石墨板3和下热解石墨板11的形状相同，上热解石墨板3为圆形或方形，上热解石墨板3和下热解石墨板11为圆形时，他们的直径其都为25mm，厚度都为5mm，上热解石墨板3和下热解石墨板11均为高定向热解石墨板，可利用MEMS工艺将第一感应线圈、第二感应线圈分别加工在上热解石墨板的底面上和下热解石墨板的顶面上。
第一感应线圈、第二感应线圈可以为单层线圈或双层线圈或多层线圈，为了便于提高能量采集效率，第一感应线圈、第二感应线圈优选多层线圈，第一感应线圈、第二感应线圈由导电性金属材料铜或铝或银制成，第一感应线圈最大直径不大于上热解石墨板的整体尺寸，第二感应线圈的最大直径不大于下热解石墨板的整体尺寸。
压电片13可以采用石英晶体或压电陶瓷材料制成，压电片13优选压电系数大的压电陶瓷材料。
第一摩擦层5为刚性材料，如铝箔、铜片等，第二摩擦层6为柔性材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，或者第一摩擦层5为柔性材料，第二摩擦层6为刚性材料；第三摩擦层8为刚性材，第四摩擦层9为柔性材料；或者第三摩擦层8为柔性材料，第四摩擦层9为刚性材料，以便摩擦产生更多的摩擦电荷。
第二摩擦层、第三摩擦层和第二永磁体7直径大小相同，第二摩擦层、第三摩擦层的厚度都比第二永磁体7的厚度小；第一摩擦层5与上热解石墨板3直径大小相同，第一摩擦层5的厚度小于上热解石墨板3的厚度，第四摩擦层9与下热解石墨板11直径大小相同，第四摩擦层9的厚度小于下热解石墨板11的厚度，这样第一摩擦层5与第二摩擦层之间的摩擦面比较大，第四摩擦层9与第三摩擦层之间的摩擦面比较大，以便产生更多的摩擦电荷。
本发明是利用抗磁悬浮技术将第二永磁体微悬浮起来，减少第二永磁体对第四摩擦层的正压力，使第二永磁体更加容易产生相对滑动。当受到外界振动激励时，第二永磁体会产生水平方向移动，一方面使得第一摩擦层和第二摩擦层以及第三摩擦层和第四摩擦层发生相对运动而形成摩擦电荷，另一方面第二永磁体撞击外壳上的压电片时会引起压电片产生形变而产生压电电荷，之后通过引线将摩擦电荷和压电电荷收集，同时，第二永磁体在运动过程中会引起周围磁场的变化，从而导致第一感应线圈和第二感应线圈内磁通量发生变化进而在线圈中产生感应电动势，之后通过现有技术中的能量管理电路将产生的感应电荷和电动势收集起来，能够有效的将机械振动能转换成电能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合式振动能量采集器，其特征在于：包括外壳（12）和固定在外壳顶端的盖板（1），外壳（12）内自上而下设有第一永磁体（2）、上热解石墨板（3）、第一感应线圈（4）、第一摩擦层（5）、第二摩擦层（6）、第二永磁体（7）、第三摩擦层（8）、第四摩擦层（9）、第二感应线圈（10）和下热解石墨板（11），第一永磁体（2）与第二永磁体（7）均沿竖直方向磁化且磁化方向相同，第一永磁体（2）固定在盖板（1）的底面上，上热解石墨板（3）位于第一永磁体（2）下方且与外壳（12）的内壁固连，第一感应线圈（4）固定在上热解石墨板（3）的底面上，第一摩擦层（5）覆盖在第一感应线圈（4）上，第二永磁体（7）位于上热解石墨板（3）下方，第二摩擦层覆盖在第二永磁体（7）的顶面上，第三摩擦层覆盖在第二永磁体（7）的底面上，下热解石墨板（11）位于第二永磁体（7）下方且与外壳（12）的内壁固连，第二感应线圈（10）固定在下热解石墨板（11）的顶面上，第四摩擦层（9）覆盖在第二感应线圈（10）上，第二永磁体（7）在竖直方向上受到第一永磁体（2）的磁吸引力和下热解石墨板（11）的抗磁力之和与上热解石墨板（3）的抗磁力和自身的重力之和相等，第二永磁体（7）上的第二摩擦层与上热解石墨板（3）上的第一摩擦层（5）摩擦接触，第二永磁体（7）上的第三摩擦层与下热解石墨板（11）上的第四摩擦层（5）摩擦接触，外壳（12）的圆周壁上均布有呈环状排列的弧状孔，弧状孔内嵌有压电片（13），第二永磁体（7）的中心平面和压电片（13）的中心平面位于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述第一永磁体（2）、上热解石墨板（3）、第一感应线圈（4）、第一摩擦层（5）、第二摩擦层（6）、第二永磁体（7）、第三摩擦层（8）、第四摩擦层（9）、第二感应线圈（10）和下热解石墨板（11）中心轴线位于同一轴线上。
3.根据权利要求1或2所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述第一永磁体（2）和第二永磁体（7）形状相同，第一永磁体（2）为方形或圆环形或圆柱形。
4.根据权利要求3所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述外壳（12）为空心的圆柱体或长方体状，外壳（12）和盖板均采用不导磁材料制成。
5.根据权利要求4所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述弧状孔的数量为两个或三个或四个。
6.根据权利要求5所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述上热解石墨板（3）和下热解石墨板（11）的形状相同，上热解石墨板（3）为圆形或方形，上热解石墨板（3）和下热解石墨板（11）均为高定向热解石墨板。
7.根据权利要求6所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述第一感应线圈（4）和第二感应线圈（10）均由铜或铝或银材料制成。
8.根据权利要求7所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述压电片（13）采用石英晶体或压电陶瓷材料制成。
9.根据权利要求8所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述第一摩擦层（5）为刚性材料，第二摩擦层（6）为柔性材料，或者第一摩擦层（5）为柔性材料，第二摩擦层（6）为刚性材料；第三摩擦层（8）为刚性材，第四摩擦层（9）为柔性材料；或者第三摩擦层（8）为柔性材料，第四摩擦层（9）为刚性材料。
10.根据权利要求1所述的复合式振动能量采集器，其特征在于：所述第二摩擦层、第三摩擦层和第二永磁体（7）直径大小相同；第一摩擦层（5）与上热解石墨板（3）直径大小相同；第四摩擦层（9）与下热解石墨板（11）直径大小相同。
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