CN109617453B - 基于压电和磁电复合结构的能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，包含壳体、第一至第四压电悬臂梁、磁电复合模块、第一击打齿轮、第二击打齿轮、转轴、第一风扇、第二风扇、第一轴承、第二轴承和固定杆。本发明通过对压电材料、磁致伸缩材料的特性研究，充分结合压电材料的压电效应和磁致伸缩材料的磁电效应，能够实现机械能‑电能的转化、同时能够实现磁能‑电能的能量转化，有效地提高了能量采集和转化效率。

Description

基于压电和磁电复合结构的能量采集装置

技术领域

本发明涉及微机电系统和微能源技术领域，尤其涉及一种基于压电和磁电复合结构的能量采集装置。

背景技术

近年来，化石能源危机和环境污染问题日益凸显，能源问题一直是全球备受瞩目的热门问题之一，在能源越来越匮乏的今天，如何利用可再生资源就显得尤为重要，引发了国内外的广泛关注。随着我国和世界新能源战略的快速推进，在未来的能源系统和能源网络中，可再生能源发电系统将成为主要的能源生产方式。

振动能量是自然界中普遍存在的一种能量，它是可再生能源。因而如何设计振动能量采集装置，实现高效采集环境振动能量已成为世界相关人士关注的热点。

压电材料是压电能量采集装置的重要部分，不同的压电材料，对其能量采集的效率有很大的影响，现有技术一般能量采集和转化效率有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，通过对磁致伸缩材料和压电纤维复合材料这两种材料的层合设计，得到磁致伸缩/压电纤维复合材料，作为能量感知和转换器件，以提升振动能量采集效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，包含壳体、第一至第四压电悬臂梁、磁电复合模块、第一击打齿轮、第二击打齿轮、转轴、第一风扇、第二风扇、第一轴承、第二轴承和固定杆；

所述第一至第四压电悬臂梁均包含固定座和弹性基板；所述弹性基板包含击打部和形变部，其中，所述形变部一端和所述固定座垂直固连，另一端和所述击打部的一端固连；且形变部两侧均设有压电薄膜；所述击打部用于被施加外力产生振动后使得形变部发生形变、进而使得形变部两侧压电薄膜变形端产生电势；

所述磁电复合模块包含承载座和若干磁电复合板；所述若干磁电复合板均固定在所述承载座上；磁电复合板呈三明治结构，由上之下依次为磁致伸缩层、压电层、磁致伸缩层，所述磁致伸缩层由磁致伸缩材料制成，所述压电层由压电材料制成；

所述第一击打齿轮、第二击打齿轮均包含转盘、若干击打齿和若干永磁体；所述若干击打齿沿转盘周边均匀设置，形成齿轮状；所述若干永磁体均匀设置在转盘的一个侧面上、呈圆周设置，且相邻永磁体的磁极相反；所述转盘中心设有用于和所述转轴固定的连接孔；

所述壳体上设有供转轴穿过的第一通孔、第二通孔；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别固定设置在所述壳体的第一通孔、第二通孔中，第一轴承、第二轴承的内圈均和所述转轴固连，使得所述转轴穿过壳体、两端在壳体外；

所述第一风扇、第二风扇设置在所述壳体外，第一风扇、第二风扇的转轴分别和所述转轴的两端同轴固连，用于受风力驱动带动转轴转动；

所述第一击打齿轮、第二击打齿轮设置在所述壳体内，第一击打齿轮、第二击打齿轮均通过转盘中心的连接孔和所述转轴固连，使得第一击打齿轮、第二击打齿轮平行设置，第一击打齿轮上的永磁体和第二击打齿轮上的永磁体一一对应、形成交变磁场；

所述第一至第四压电悬臂梁设置在所述壳体内，第一至第四压电悬梁臂的固定座分别和所述壳体的内壁固连，第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部和所述第一击打齿轮配合，第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部和所述第二击打齿轮配合，使得转轴转动时，第一击打齿轮的各个击打齿轮流击打第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部，第二击打齿轮的各个击打齿轮流击打第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部；

所述固定杆、磁电复合模块均设置在所述壳体内，其中，所述承载座固定在所述固定杆上；固定杆的两端分别和壳体的内壁固连，使得承载座上的各个磁电复合板位于第一击打齿轮、第二击打齿轮之间的交变磁场中，且各个磁电复合板均和所述转轴平行。

作为本发明基于压电和磁电复合结构的能量采集装置进一步的优化方案，所述第一至第四压电悬臂梁中形变部两侧的压电薄膜采用PVDF压电薄膜。

作为本发明基于压电和磁电复合结构的能量采集装置进一步的优化方案，所述第一至第四压电悬臂梁中的弹性基板采用铜制成。

作为本发明基于压电和磁电复合结构的能量采集装置进一步的优化方案，所述第一击打齿轮、第二击打齿轮均包含六个击打齿和六个永磁体。

作为本发明基于压电和磁电复合结构的能量采集装置进一步的优化方案，所述承载座为立方框体。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1．本发明可实现风能-机械能-电能的转换、以及振动能-电能的转换，从而实现能量采集，为物联网等低功耗传感节点等设备供能；

2．能量转换元件采用磁致伸缩/压电复合结构，提高能量转化效率，尽可能达到最大电能输出；

3．交变磁场选用旋转的永磁体实现，降低整个系统复杂度；

4．本双风叶结构提高了风能利用率。

附图说明

图1为第一压电悬臂梁的结构示意图；

图2为磁电复合板的结构示意图；

图3（a）、图3（b）、图3（c）分别为第一击打齿轮的侧面结构示意图、第二击打齿轮的侧面结构示意图、第一击打齿轮的证明结构示意图；

图4为第一风扇、第二风扇、第一击打齿轮、第二击打齿轮、转轴相配合的结构示意图；

图5为本发明的结构示意图。

图中，1-固定座，2-弹性基板，3-压电薄膜，4-磁致伸缩层，5-压电层，6-转盘，7-击打齿，8-永磁体，9-连接孔，10-第一风扇，11-转轴，12-第一击打齿轮，13-第二击打齿轮，14-第二风扇，15-第一压电悬臂梁，16-第二压电悬臂梁，17-第三压电悬臂梁，18-第四压电悬臂梁，19-固定杆，20-磁电复合模块，21-壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图5所示，本发明公开了一种基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，包含壳体、第一至第四压电悬臂梁、磁电复合模块、第一击打齿轮、第二击打齿轮、转轴、第一风扇、第二风扇、第一轴承、第二轴承和固定杆。

如图1所示，第一至第四压电悬臂梁均包含固定座和弹性基板；弹性基板包含击打部和形变部，其中，形变部一端和固定座垂直固连，另一端和击打部的一端固连；且形变部两侧均设有压电薄膜；击打部用于被施加外力产生振动后使得形变部发生形变、进而使得形变部两侧压电薄膜变形端产生电势。

如图2所示，磁电复合模块包含承载座和若干磁电复合板；若干磁电复合板均固定在承载座上；磁电复合板呈三明治结构，由上之下依次为磁致伸缩层、压电层、磁致伸缩层，磁致伸缩层由磁致伸缩材料制成，压电层由压电材料制成。

如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示，第一击打齿轮、第二击打齿轮均包含转盘、若干击打齿和若干永磁体；若干击打齿沿转盘周边均匀设置，形成齿轮状；若干永磁体均匀设置在转盘的一个侧面上、呈圆周设置，且相邻永磁体的磁极相反；转盘中心设有用于和转轴固定的连接孔。

壳体上设有供转轴穿过的第一通孔、第二通孔；第一轴承、第二轴承的外圈分别固定设置在壳体的第一通孔、第二通孔中，第一轴承、第二轴承的内圈均和转轴固连，使得转轴穿过壳体、两端在壳体外；第一风扇、第二风扇设置在壳体外，第一风扇、第二风扇的转轴分别和转轴的两端同轴固连，用于受风力驱动带动转轴转动。

如图4所示，第一击打齿轮、第二击打齿轮设置在壳体内，第一击打齿轮、第二击打齿轮均通过转盘中心的连接孔和转轴固连，使得第一击打齿轮、第二击打齿轮平行设置，第一击打齿轮上的永磁体和第二击打齿轮上的永磁体一一对应、形成交变磁场。

第一至第四压电悬臂梁设置在壳体内，第一至第四压电悬梁臂的固定座分别和壳体的内壁固连，第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部和第一击打齿轮配合，第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部和第二击打齿轮配合，使得转轴转动时，第一击打齿轮的各个击打齿轮流击打第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部，第二击打齿轮的各个击打齿轮流击打第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部；固定杆、磁电复合模块均设置在壳体内，其中，承载座固定在固定杆上；固定杆的两端分别和壳体的内壁固连，使得承载座上的各个磁电复合板位于第一击打齿轮、第二击打齿轮之间的交变磁场中，且各个磁电复合板均和转轴平行。

第一至第四压电悬臂梁中形变部两侧的压电薄膜采用PVDF压电薄膜，弹性基板采用铜制成。

第一击打齿轮、第二击打齿轮优先采用六个击打齿和六个永磁体，承载座为立方框体。

为了增强能量转化效率，获得较大的电源输出，采用磁致伸缩材料和压电纤维复合材料，通过对这两种材料的层合设计，得到磁致伸缩/压电纤维复合材料作为能量感知和转换器件，主要研究了两种材料的特性，以及层合后的特性。

线磁致伸缩系数通常用λ来表示，λ=⊿l/l，λ为铁磁体的长度，⊿l为铁磁体长度l方向上的伸缩量。λ>0表示沿着磁化方向上的尺寸伸长，称为正线磁致伸缩；反之称为负线磁致伸缩。体磁致伸缩或体磁致伸缩系数用ω表示，ω=⊿V/V，其中V为铁磁体的原始体积，⊿V为铁磁体磁化后的体积变化。ω>0表示铁磁体在磁化过程中发生膨胀，称为正体磁致伸缩；ω<0表示铁磁体在磁化过程中发生收缩，称为负体磁致伸缩。

压电-磁电复合材料是压电材料与磁致伸缩材料机械复合而成，其磁电性能与各自单独的性能密切相关，影响复合材料的磁电转换系数的结构因素主要包括形状尺寸、边界条件和应力模式等，因此选择合适的各相材料及控制两相复合比例是制备高性能磁电复合材料的关键，磁电复合材料置于交流磁场结构正中间。本发明压电振子的结构设计采用悬臂梁，更容易实现谐振。

压电材料的主要功能是可以将机械能转变成电能也可以反向将电能转变成机械能的机电耦合功能材料。由于压电效应实质上是一个机械能和电能相互转化的过程，因此，对压电材料的主要特性要求为压电系数尽量大，保证良好的机电转换性能；机械性能强，即材料强度高，刚度大，这样可获得宽的线性范围和高的固有频率；电阻率高、介电常数大，这样可减小电荷泄漏并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性好，具有较高的居里点，这样可得到较宽的工作温度范围；时间稳定性要好，压电性能不随时间变化，使得其工作稳定，寿命长。本发明采用传统的悬臂梁结构，第一至第四压电悬臂梁由压电材料和弹性基板材料层叠形成三明治结构，其中压电材料采用PVDF压电薄膜，具有压电系数高，易变形的特点，弹性基板材料选择铜，PVDF固定于弹性基板的上下两表面。其结构如图1所示。通过击打区施加外力，从而产生上下振动，压电材料的变形导致其两端产生电势。

磁电复合结构由压电材料和磁致伸缩材料组成，当磁致伸缩材料复合结构在磁场的作用下，会发生拉伸或压缩变形，如果将压电材料与磁致伸缩材料固定形成层叠结构，则发生伸缩变化的磁电材料会带动压电材料发生相应的变形，进而根据压电效应，在压电材料的上下两面间会产生电势。所设计的磁电复合结构也采用三明治结构形式，中间层为压电材料，两侧为磁致伸缩材料。在磁致伸缩材料的表面施加交变磁场，则其压电层两侧会产生电势。其结构如图2所示。

本发明采用单极性永磁体，N、S极交错放置的布局。交变磁场包含两个旋转部件（第一击打齿轮、第二击打齿轮），每个旋转部件上相同角度上布置极性相反的永磁体，如此，可形成一个旋转的磁场，当磁电复合结构置于两个旋转部件中间时，穿过磁电复合结构的磁场为交变磁场。该设计具有结构简单，磁场强度高的特点。

在第一至第四压电悬臂梁形变部两侧的压电薄膜表面以及各个磁电复合板中的压电材料两面均连接导线，作为电能输出，导线连接能量采集电路。当受到风力驱动时，第一风扇、第二风扇开始转动，带动击打齿同步转动，并击打第一至第四压电悬臂梁的击打部，从而在第一至第四压电悬臂梁形变部两侧的压电薄膜两端产生电能；同时，旋转的齿轮结构产生交变磁场作用于磁电复合模块，从而在各个磁电复合板两端产生电能。本发明充分利用压电效应和磁致伸缩效应，实现风能-机械能-电能、以及风能-机械能-磁能-电能的转换，提高了发电效率，增强了发电能力。

本发明通过对压电材料、磁致伸缩材料的特性研究，充分结合压电材料的压电效应和磁致伸缩材料的磁电效应，从而设计的一种为电子设备供能的能量收集装置，即可实现机械能-电能的转化、同时又可实现磁能-电能的能量转化，有效地提高了能量采集和转化效率。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，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 (2)

1.基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，其特征在于，包含壳体、第一至第四压电悬臂梁、磁电复合模块、第一击打齿轮、第二击打齿轮、转轴、第一风扇、第二风扇、第一轴承、第二轴承和固定杆；

所述第一至第四压电悬臂梁均包含固定座和弹性基板；所述弹性基板包含击打部和形变部，其中，所述形变部一端和所述固定座垂直固连，另一端和所述击打部的一端固连；且形变部两侧均设有压电薄膜；所述击打部用于被施加外力产生振动后使得形变部发生形变、进而使得形变部两侧压电薄膜变形端产生电势；

所述磁电复合模块包含承载座和若干磁电复合板；所述若干磁电复合板均固定在所述承载座上；磁电复合板呈三明治结构，由上至下依次为磁致伸缩层、压电层、磁致伸缩层，所述磁致伸缩层由磁致伸缩材料制成，所述压电层由压电材料制成；所述第一击打齿轮、第二击打齿轮均包含转盘、若干击打齿和若干永磁体；所述若干击打齿沿转盘周边均匀设置，形成齿轮状；所述若干永磁体均匀设置在转盘的一个侧面上、呈圆周设置，且相邻永磁体的磁极相反；所述转盘中心设有用于和所述转轴固定的连接孔；

所述壳体上设有供转轴穿过的第一通孔、第二通孔；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别固定设置在所述壳体的第一通孔、第二通孔中，第一轴承、第二轴承的内圈均和所述转轴固连，使得所述转轴穿过壳体、两端在壳体外；

所述第一风扇、第二风扇设置在所述壳体外，第一风扇、第二风扇的转轴分别和所述转轴的两端同轴固连，用于受风力驱动带动转轴转动；

所述第一击打齿轮、第二击打齿轮设置在所述壳体内，第一击打齿轮、第二击打齿轮均通过转盘中心的连接孔和所述转轴固连，使得第一击打齿轮、第二击打齿轮平行设置，第一击打齿轮上的永磁体和第二击打齿轮上的永磁体一一对应、形成交变磁场；

所述第一至第四压电悬臂梁设置在所述壳体内，第一至第四压电悬梁臂的固定座分别和所述壳体的内壁固连，第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部和所述第一击打齿轮配合，第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部和所述第二击打齿轮配合，使得转轴转动时，第一击打齿轮的各个击打齿轮流击打第一压电悬梁臂、第二压电悬梁臂的击打部，第二击打齿轮的各个击打齿轮流击打第三压电悬梁臂、第四压电悬梁臂的击打部；

所述固定杆、磁电复合模块均设置在所述壳体内，其中，所述承载座固定在所述固定杆上；固定杆的两端分别和壳体的内壁固连，使得承载座上的各个磁电复合板位于第一击打齿轮、第二击打齿轮之间的交变磁场中，且各个磁电复合板均和所述转轴平行；

所述第一至第四压电悬臂梁中形变部两侧的压电薄膜采用PVDF压电薄膜；

所述第一至第四压电悬臂梁中的弹性基板采用铜制成；

所述第一击打齿轮、第二击打齿轮均包含六个击打齿和六个永磁体。

2.根据权利要求1所述的基于压电和磁电复合结构的能量采集装置，其特征在于，所述承载座为立方框体。