CN110336442A - 一种磁电压电复合微能源采集器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种磁电压电复合微能源采集器，包括：外壳，磁电模块，其设置在所述外壳中，在外界振动刺激下，所述磁电模块产生感应电流和感应电动势；以及压电模块，其设置在所述外壳中并与所述磁电模块电连接。与现有技术相比，本申请发电效率高，能量转换效率高，通过将具有互补工作模式的压电模块、磁电模块两种发电模块集成设计，从而实现对机械能的高效采集。
Description
技术领域
本申请属于器件技术能源材料与器件技术领域，具体为一种磁电压电复合微能源采集器。
背景技术
能源是人类社会文明进步的动力，随着当今世界经济的高速发展以及人类文明的不断进步，对能源的需求日益增长，现如今，能源的供给主要依赖化石能源，包括煤炭、石油、天然气等的广泛应用。然而，伴随着经济发展所引起的全球温室效应和能源短缺问题已经成为影响经济进一步发展的当务之急。随着微机电系统(MEMS)技术的快速发展和应用，带动了便携式电子产品和无线传感器的大范围应用，目前，电池是解决这些设备供电的主要方式，但其有限的使用寿命和造成的环境污染问题严重制约了其进一步发展，而且无线传感器具有体积小，效能高，无人看管和无人值守等特点，采用传统电池已经不能满足无线传感网络及系统的发展要求。因此开发新能源对实现便携式电子产品和无线传感器的自供电具有重要意义和价值。
机械能是周围环境中分布最广且最容易获取的能量之一，它广泛存在于各种物体的运动过程之中，如海浪波动，机器机械振动，人行走产生振动等。相应的，许多方法也被提出用来将机械能转化为电能，包括电磁感应、静电感应、压电效应和摩擦发电。采用电磁感应现象实现机械能采集是应用较广的一种方式，通过将磁铁和线圈进行三维组装，实现能量采集；而压电效应发电是使压电发电器件产生形变而进行发电，具有小安装空间、大变形高输出优势。然而，无论那种形式的发电方式都存在一定的局限性，不能达到对机械能的高效采集，为解决机械能的高效采集问题，将具有互补工作模式的发电方式集成在同一器件上是一种可行性很高且有效的解决途径。共振是机械能产生环境与能量采集系统之间的一种典型状态，在系统阻力很小的时候，系统表现出很大的振幅，但系统内部有粘滞阻力的时候，表现出很大的损耗。因此，利用共振特点，设计一种新型的器件结构，将磁电和压电复合，实现更高效率的电能采集，具有广阔的应用前景。
申请内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种磁电压电复合微能源采集器，一是磁电模块采用磁铁悬浮设计，减少磁铁运动过程中的粘滞阻力，使磁电模块实现更大的切割磁力线运动位移；二是压电模块采用同频共振设计，实现很大的振幅，使压电模块产生更大的变形；通过磁电压电复合设计，可实现更高效率的电能采集。
为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：
一种磁电压电复合微能源采集器，包括：外壳，磁电模块，其设置在所述外壳中，在外界振动刺激下，所述磁电模块产生感应电流和感应电动势；以及压电模块，其设置在所述外壳中并与所述磁电模块电连接。
作为进一步地改进，所述外壳包括：顶盖、约束盖、约束桶以及底盖，所述顶盖和所述底盖分别设置在所述约束桶的上、下部，其中，所述约束桶设置在所述顶盖和所述约束桶之间，所述约束桶与所述顶盖之间形成第一容纳空间；所述约束桶的底板和所述底盖之间形成第二容纳空间。
作为进一步地改进，所述磁电模块包括：第一约束磁铁、第二约束磁铁、悬浮振动磁铁以及电磁发电线圈，所述第一约束磁铁嵌套在所述顶盖中，所述第二约束磁铁嵌套在所述底盖中，其中，所述第一约束磁铁和所述第二约束磁铁的相向面磁性相同；所述悬浮振动磁铁设置在所述约束桶内的圆形直筒内；所述电磁发电线圈设置在所述圆形直筒的周围。
作为进一步地改进，在静止状态下，在所述第一约束磁铁和所述第二约束磁铁的共同作用下，保持所述悬浮振动磁铁悬浮于所述圆形直筒内；当受到外界振动时，所述悬浮振动磁铁脱离平衡位置上下振动，所述电磁发电线圈切割磁感线产生感应电动势和感应电流。
作为进一步地改进，所述压电模块包括：第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、金属层、第一电极、第二电极以及电极面，所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷分别设置在所述金属层的上表面和下表面，其中，所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷的极化方向相反；所述第一电极通过电极面与所述第一压电陶瓷连接，所述第二电极通过电极面与所述第二压电陶连接。
作为进一步地改进，所述压电模块还包括自由振子，所述自由振子设置在所述电极面上，并远离所述第一电极或所述第二电极设置。
作为进一步地改进，所述第一压电陶瓷通过导电胶层与所述金属层粘接，所述第二压电陶瓷亦通过导电胶层与所述金属层粘接。
作为进一步地改进，所述压电模块的设置数量为至少两个，其设置在第一容纳空间和/或第二容纳空间内。
作为进一步地改进，所述压电模块为悬臂梁式的三明治结构。
作为进一步地改进，所述压电模块可同时设置多个，其设置在第一容纳空间和/或第二容纳空间内。
作为进一步地改进，所述压电模块可根据安装空间位置布放因素，改变长宽规格以达到相同的共振频率。
作为进一步地改进，所述自由振子为匹配压电模块的规格，改变长宽高规格，以使不同压电模块达到相同的共振频率。
作为进一步地改进，所述外壳由非磁性材料制成。
与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：
本申请发电效率高，能量转换效率高，通过将具有互补工作模式的压电模块、磁电模块两种发电模块集成设计，从而实现对机械能的高效采集，可以解决便携式电子产品(如手机、智能手表、智能手环等)和无线传感网络(如森林火灾检测系统、井下安防系统等)的自供电问题；
本申请发电效率高，结构紧凑合理，磁电模块中悬浮振动磁铁受到第一约束磁铁和第二约束磁铁的斥力而悬浮空中，因此受到的阻力非常小，反应灵敏，能够将外界振动幅度和频率更好的传递给悬浮振动磁铁，第二约束磁铁可有效防止悬浮振动磁铁在上下振动时发生侧倾，电磁发电线圈围绕悬浮振动磁铁紧密排布，能够最大化的切割磁感线，压电结构独立于外壳，可根据外界不同振动频率和幅度更换不同长度和不同自由振子的压电发电部件，以达到更高的发电效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1：本申请磁电压电复合微能源采集器的外部结构图；
图2：本申请磁电压电复合微能源采集器的剖视图；
图3：本申请中压电模块的结构示意图；
图4：本申请磁电压电复合微能源采集器的俯视剖面图。
具体实施方式
以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。
如图1和图2所示，本实施例磁电压电复合微能源采集器，包括：外壳、磁电模块以及压电模块9，所示磁电模块设置在所述外壳中，在外界振动刺激下，所述磁电模块可产生感应电流和感应电动势；所述压电模块9设置在所述外壳中并与所述磁电模块电连接，以及时将所述磁电模块产生的电能导出。本实施例发电效率高，能量转换效率高，通过将具有互补工作模式的压电模块9、磁电模块两种发电模块集成设计，从而实现对机械能的高效采集。
如图1所示，所述外壳包括：顶盖1、约束盖2、约束桶3以及底盖4，所述顶盖1和所述底盖4分别设置在所述约束桶3的上、下部，其中，所述约束桶3设置在所述顶盖1和所述约束桶3之间，所述约束桶3与所述顶盖1之间形成第一容纳空间；所述约束桶3的底板和所述底盖4之间形成第二容纳空间。
其中，所述顶盖1为外壳提供上部保护，保护内部结构不受外部环境影响，同时为下文所述的第一约束磁铁5提供安放位置。
所述约束盖2隔离悬浮振动磁铁6与压电模块9，使其不发生碰撞。
所述约束桶3为电磁感应线圈提供安放位置，约束桶3中有一圆形直筒，悬浮振动磁铁6在圆形直筒内上下振动，约束桶3的底板可防止悬浮振动磁铁6在大振幅的振动情况下碰撞损伤其余结构。
所述底盖4为外壳提供下部保护，保护内部结构不受外部环境影响。
其中，所述外壳由非磁性材料制成，以避免磁性材料对磁铁磁性的影响，所述外壳可为所述磁电模块和所述压电模块9提供结构支撑。
在本实施例中，所述磁电模块包括：第一约束磁铁5、第二约束磁铁7、悬浮振动磁铁6以及电磁发电线圈8，所述第一约束磁铁5嵌套在所述顶盖1中，所述第二约束磁铁7嵌套在所述底盖4中，其中，所述第一约束磁铁5和所述第二约束磁铁7的相向面磁性相同；所述悬浮振动磁铁6设置在所述约束桶3内的圆形直筒内；所述电磁发电线圈8设置在所述圆形直筒的周围。
在静止状态下，在所述第一约束磁铁5和所述第二约束磁铁7的共同作用下，保持所述悬浮振动磁铁6悬浮于所述圆形直筒内；当受到外界振动时，所述悬浮振动磁铁6脱离平衡位置上下振动，所述电磁发电线圈8切割磁感线产生感应电动势和感应电流。其中，所述第一约束磁铁5和所述第二约束磁铁7可限制所述悬浮振动磁铁6的位置。
其中，所述磁电模块中的所述悬浮振动磁铁6受到所述第一约束磁铁5和所述第二约束磁铁7的共同作用而悬浮空中，因此受到的阻力非常小，反应灵敏，能够将外界振动幅度和频率更好的传递给悬浮振动磁铁6，所述第一约束磁铁5和所述第二约束磁铁7可有效防止悬浮振动磁铁6在上下振动时发生侧倾，电磁发电线圈8围绕悬浮振动磁铁6紧密排布，能够最大化的切割磁感线。
如图3和图4，所述压电模块9包括：第一压电陶瓷10、第二压电陶瓷11、金属层12、第一电极13、第二电极14以及电极面17，所述第一压电陶瓷10和所述第二压电陶瓷11分别设置在所述金属层12的上表面和下表面，其中，所述第一压电陶瓷10和所述第二压电陶瓷11的极化方向相反；所述第一电极13通过电极面17与所述第一压电陶瓷10连接，所述第二电极14通过电极面17与所述第二压电陶连接；其中，所述第一电极13和所述第二电极14与外壳上的电极对应连接，以将产生的电能导出。
进一步地，所述第一压电陶瓷10通过导电胶层16与所述金属层12粘接，所述第二压电陶瓷11亦通过导电胶层16与所述金属层12粘接。
在本实施例中，所述压电模块9为悬臂梁式的三明治结构(第一压电陶瓷10—金属层12—第二压电陶瓷11)。
所述压电模块9还包括自由振子15，所述自由振子15设置在所述电极面17上，并远离所述第一电极13或所述第二电极14设置。具体地，所述自由振子15位于悬臂梁的远端，增加重量以提高振幅。
作为进一步地改进，在本实施例中，所述压电模块9可设置在第一容纳空间和/或第二容纳空间内。所述压电模块9的设置数量为至少两个，以达到最大化的电能输出。
当本实施例受到外界振动时，所述压电模块9发生形变并依据压电效应产生电能，通过改变第一压电陶瓷10与第二压电陶瓷11的面积长度以及金属层12的材质厚度，可适应不同振动幅度和频率以产生更大的电量。
本申请发电效率高，能量转换效率高，通过将具有互补工作模式的压电模块、磁电模块两种发电模块集成设计，从而实现对机械能的高效采集，可以解决便携式电子产品(如手机、智能手表、智能手环等)和无线传感网络(如森林火灾检测系统、井下安防系统等)的自供电问题。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，包括：
外壳，
磁电模块，其设置在所述外壳中，在外界振动刺激下，所述磁电模块产生感应电流和感应电动势；
以及压电模块，其设置在所述外壳中并与所述磁电模块电连接。
2.根据权利要求1所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述外壳包括：顶盖、约束盖、约束桶以及底盖，所述顶盖和所述底盖分别设置在所述约束桶的上、下部，其中，所述约束桶设置在所述顶盖和所述约束桶之间，所述约束桶与所述顶盖之间形成第一容纳空间；所述约束桶的底板和所述底盖之间形成第二容纳空间。
3.根据权利要求2所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述磁电模块包括：第一约束磁铁、第二约束磁铁、悬浮振动磁铁以及电磁发电线圈，
所述第一约束磁铁嵌套在所述顶盖中，所述第二约束磁铁嵌套在所述底盖中，其中，所述第一约束磁铁和所述第二约束磁铁的相向面磁性相同；
所述悬浮振动磁铁设置在所述约束桶内的圆形直筒内；
所述电磁发电线圈设置在所述圆形直筒的周围。
4.根据权利要求3所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，在静止状态下，在所述第一约束磁铁和所述第二约束磁铁的共同作用下，保持所述悬浮振动磁铁悬浮于所述圆形直筒内；
当受到外界振动时，所述悬浮振动磁铁脱离平衡位置上下振动，所述电磁发电线圈切割磁感线产生感应电动势和感应电流。
5.根据权利要求1所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述压电模块包括：第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、金属层、第一电极、第二电极以及电极面，
所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷分别设置在所述金属层的上表面和下表面，其中，所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷的极化方向相反；
所述第一电极通过电极面与所述第一压电陶瓷连接，所述第二电极通过电极面与所述第二压电陶连接。
6.根据权利要求5所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述压电模块还包括自由振子，所述自由振子设置在所述电极面上，并远离所述第一电极或所述第二电极设置。
7.根据权利要求5所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述第一压电陶瓷通过导电胶层与所述金属层粘接，所述第二压电陶瓷亦通过导电胶层与所述金属层粘接。
8.根据权利要求1或5或6或7所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述压电模块的设置数量为至少两个，其设置在第一容纳空间和/或第二容纳空间内。
9.根据权利要求8所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述压电模块为悬臂梁式的三明治结构。
10.根据权利要求1所述的磁电压电复合微能源采集器，其特征在于，所述外壳由非磁性材料制成。
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