CN110557045A - 面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向低速旋转运动的摩擦‑压电‑电磁复合式俘能器，以解决当前现有的俘能装置存在的能量收集效率低、俘能方式单一、输出功率小等问题。本发明由半圆形外壳体、端盖、摩擦发电组件、电磁线圈、圆柱磁铁和压电发电单元组成。该俘能器随旋转体的转动，圆柱磁铁在自身重力的作用下在由半圆形外壳体组成的圆柱筒内上下运动，与外侧的电磁线圈相互作用，实现电磁发电；凸台带动上基体的往复运动，分别实现了压电发电和接触‑分离式摩擦发电。本发明设计的复合式俘能器实现了摩擦、压电和电磁的三种发电方式的有效结合，提高了发电装置的输出功率和能量收集效率。在环境振动能源利用技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，属于环境振动能源利用技术领域。
背景技术
随着科技的进步，无线传感技术得到了快速的发展，大量的传感器在工业生产、环境监测等领域得到了广泛的使用。然而，当前传感器的持续稳定工作主要通过化学电池供电和外接电路。但是化学电池供电的方式存在着使用寿命有限、需要定期更换以及对环境污染等弊端；外接电路供能存在着供能线路复杂，维修成本高和难度大等缺点。所以，寻找一种新的供能方式是必要的。
收集环境中的机械能转换为电能作为一种新型能源供给技术成为了研究热点。而旋转运动作为机械运动的一种在环境中随处可见。如果对旋转能量进行有效的回收利用，则是解决特定环境下传感器供能的有效方式。当前，收集旋转能量转换为电能主要利用压电发电和电磁发电。压电式发电是利用压电材料的正压电效应将旋转能转换为电能，其具有功率密度高、易于微型化等优点，但其带宽较窄。电磁式发电是利用电磁感应现象将旋转能转换为电能，其存在具有阻抗小，输出电流大等优点。另外，在2012年一种新型的基于耦合接触起电和静电感应的摩擦发电技术被发明。其具有输出电压高、材料应用广泛和制作简单等优点而得到了广泛研究。
然而，当前收集旋转能量，特别是低速旋转能的俘能装置存在能量收集效率低、俘能方式单一、输出功率小等问题，不能使输入的旋转能量得到有效的利用，限制了俘能装置在低转速环境下的发展与应用。所以，有必要研究一种新型的俘能装置解决当前收集旋转能所面临的问题。
发明内容
为解决现有的传感器供能装置存在的能量收集效率低、俘能方式单一、输出功率小等问题，本发明公开一种面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器。
本发明所采用的技术方案是：
所述面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器由半圆形外壳体、端盖、压电发电单元、摩擦发电组件、电磁线圈、圆柱磁铁、螺栓和螺母组成；所述半圆形外壳体利用螺栓和螺母通过螺纹连接的方式进行固定；所述端盖利用螺栓和螺母通过螺纹连接的方式固定在半圆形外壳体的两端；所述压电发电单元通过胶粘的方式固定在方形凹槽上；所述摩擦发电组件通过弹簧的支撑和螺纹孔Ⅱ与外螺纹Ⅰ的旋合连接实现了在半圆形外壳体组成的圆柱筒和端盖上的固定，所述电磁线圈缠绕在两个半圆形外壳体组成的圆柱体外表面中间位置，所述圆柱磁铁放置在半圆形凹槽内。
所述半圆形外壳体设置有螺栓安装孔Ⅰ、半圆形凹槽、弹簧导杆安装孔和螺栓安装孔Ⅱ；所述螺栓安装孔Ⅰ均布设置在半圆形外壳体两侧的上端面；所述半圆形凹槽设置在半圆形外壳体的中部，圆柱磁铁放置在半圆形凹槽内；所述弹簧导杆安装孔设置在半圆形外壳体两端的中部；所述螺栓安装孔Ⅱ设置在半圆形外壳体两端的顶部。
所述端盖装置有方形凹槽、螺栓安装孔Ⅲ、支撑圆柱和螺纹孔Ⅰ；所述方形凹槽周向均布设置在端盖的底部，压电发电单元通过胶粘的方式固定在方形凹槽内；所述螺栓安装孔Ⅲ对称设置在端盖上部；所述支撑圆柱设置在端盖内部的中间；所述螺纹孔Ⅰ设置在支撑圆柱的中部，其与外螺纹Ⅱ旋合连接。
所述压电发电单元由矩形磁铁Ⅱ、矩形压电陶瓷片和铜基板组成，所述矩形磁铁Ⅱ通过胶粘的方式固定在铜基板的一端，所述矩形压电陶瓷片通过胶粘的方式固定在铜基板的中部。
所述摩擦发电组件由凸台、弹簧、上基体、矩形磁铁Ⅰ、下基体和摩擦发电部分组成，所述凸台与上基体利用螺纹孔Ⅱ与外螺纹Ⅰ通过旋合连接进行固定，所述弹簧套在弹簧导杆上，所述矩形磁铁Ⅰ通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽上，所述下基体利用螺纹孔Ⅰ与外螺纹Ⅱ的旋合连接固定在支撑圆柱上，所述摩擦发电部分通过粘贴的方式固定在上基体和下基体的端面上。
所述凸台包括弹簧导杆、螺纹孔Ⅱ和挡板，所述弹簧导杆设在挡板一端面的中间，弹簧套在弹簧导杆上，所述螺纹孔Ⅱ设在弹簧导杆的中部，其与外螺纹Ⅰ通过旋合连接；所述上基体包括外螺纹Ⅰ、运动导杆、磁铁安装槽和上挡板，所述外螺纹Ⅰ设置在上挡板上端面的中间位置，其与弹簧导杆上的螺纹孔Ⅱ旋合连接，所述运动导杆周向均布在上挡板下端面的靠外侧，所述磁铁安装槽设置在运动导杆的底端，矩形磁铁Ⅰ通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽上；所述下基体包括外螺纹Ⅱ和下挡板，所述外螺纹Ⅱ设置在下挡板的下端面的中间位置，其与支撑圆柱上的螺纹孔Ⅰ旋合连接；所述摩擦发电部分包括电极Ⅰ、摩擦材料、电极Ⅱ和海绵胶，所述电极Ⅰ通过粘贴的方式固定在上基体的下端面中部，所述电极Ⅱ粘贴在海绵胶上表面，所述摩擦材料粘贴在电极Ⅱ的上表面，所述海绵胶的另一面粘在下基体的上端面。
所述弹簧外径D2大于弹簧导杆安装孔的直径D1。
所述端盖内周向均布有n个压电发电单元，n为大于1的正整数。
本发明的有益效果是：本发明利用摩擦起电原理、电磁感应原理和压电材料的正压电效应有效的将低速旋转机械能转变为电能，极大的提高了发电装置的输出功率和能量转换效率。本发明解决了当前俘能装置收集低速旋转能所存在的能量收集效率低、俘能方式单一、输出功率小等问题，同时本发明具有结构简单紧凑、新颖、可靠性高等特点，在环境振动能源利用技术领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器结构示意图；
图2所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器半圆形外壳体结构示意图；
图 3所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器端盖结构示意图；
图4所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器压电发电单元结构示意图；
图5所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器摩擦发电组件结构示意图；
图6所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器凸台结构示意图；
图7所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器上基体结构示意图；
图8所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器下基体结构示意图；
图9所示为本发明提出的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器摩擦发电部分结构示意图。
具体实施方式
结合图1~图9说明本实施方式：
本实施方式提供的一种面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器的具体实施方案。所述面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器由半圆形外壳体1、端盖2、压电发电单元3、摩擦发电组件4、电磁线圈5、圆柱磁铁6、螺栓7、螺母8组成；所述半圆形外壳体1利用螺栓7和螺母8通过螺纹连接的方式进行固定，所述端盖2利用螺栓7和螺母8通过螺纹连接的方式固定在半圆形外壳体1的两端，所述压电发电单元3通过胶粘的方式固定在方形凹槽2-1上，所述摩擦发电组件4通过弹簧4-2的支撑和螺纹孔Ⅱ4-1-2与外螺纹Ⅰ4-3-1的旋合连接实现了在半圆形外壳体1组成的圆柱筒和端盖2上的固定，所述电磁线圈5缠绕在两个半圆形外壳体1组成的圆柱体外表面中间位置，所述圆柱磁铁6放置在半圆形凹槽1-2内。
所述半圆形外壳体1设置有螺栓安装孔Ⅰ1-1、半圆形凹槽1-2、弹簧导杆安装孔1-3和螺栓安装孔Ⅱ1-4；所述螺栓安装孔Ⅰ1-1均布设置在半圆形外壳体1两侧的上端面，螺栓7穿过螺栓安装孔Ⅰ1-1与螺母8进行螺纹连接，实现半圆形外壳体1的固定；所述半圆形凹槽1-2设置在半圆形外壳体1的中部，圆柱磁铁6放置在半圆形凹槽1-2内；所述弹簧导杆安装孔1-3设置在半圆形外壳体1两端的中部，弹簧导杆4-1-1穿过弹簧导杆安装孔1-3，实现弹簧导杆4-1-1的上下运动；所述螺栓安装孔Ⅱ1-4设置在半圆形外壳体1两端的顶部，所述螺栓安装孔Ⅱ1-4与螺栓安装孔Ⅲ2-2配合，通过螺栓7与螺母8的螺纹连接实现半圆形外壳体1与端盖2的固定。
所述端盖2装置有方形凹槽2-1、螺栓安装孔Ⅲ2-2、支撑圆柱2-3和螺纹孔Ⅰ2-4；所述方形凹槽2-1周向均布设置在端盖2的底部，压电发电单元3通过胶粘的方式固定在方形凹槽2-1内；所述螺栓安装孔Ⅲ2-2对称设置在端盖2上部，所述螺栓安装孔Ⅲ2-2与螺栓安装孔Ⅱ1-4配合并通过螺栓7与螺母8进行螺纹连接，实现半圆形外壳体1与端盖2的固定；所述支撑圆柱2-3设置在端盖2内部的中间，其用来支撑下基体4-5；所述螺纹孔Ⅰ2-4设置在支撑圆柱2-3的中部，其与外螺纹Ⅱ4-5-1旋合连接，实现下基体4-5在支撑圆柱2-3上的固定。
所述压电发电单元3由矩形磁铁Ⅱ3-1、矩形压电陶瓷片3-2和铜基板3-3组成，所述矩形磁铁Ⅱ3-1通过胶粘的方式固定在铜基板3-3的一端，通过利用矩形磁铁Ⅱ3-1与矩形磁铁Ⅰ4-4的磁铁排斥力使压电发电单元3产生形变，所述矩形压电陶瓷片3-2通过胶粘的方式固定在铜基板3-3的中部，在压电发电单元3产生形变时，实现压电发电。
所述摩擦发电组件4由凸台4-1、弹簧4-2、上基体4-3、矩形磁铁Ⅰ4-4、下基体4-5和摩擦发电部分4-6组成，所述凸台4-1与上基体4-3通过螺纹孔Ⅱ4-1-2与外螺纹Ⅰ4-3-1旋合连接，实现凸台4-1与上基体4-3的固定连接；所述弹簧4-2套在弹簧导杆4-1-1上，当在凸台4-1压缩弹簧4-2后，在弹簧4-2的弹性恢复力下，能够实现凸台4-1的快速弹回；所述矩形磁铁Ⅰ4-4通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽4-3-3上；所述下基体4-5利用螺纹孔Ⅰ2-4与外螺纹Ⅱ4-5-1进行旋合连接，实现下基体4-5与支撑圆柱2-3固定连接；所述摩擦发电部分4-6通过粘贴的方式固定在上基体4-3和下基体4-5的端面上。
所述凸台4-1包括弹簧导杆4-1-1、螺纹孔Ⅱ4-1-2和挡板4-1-3，所述弹簧导杆4-1-1设在挡板4-1-3一端面的中间，弹簧4-2套在弹簧导杆4-1-1上，所述螺纹孔Ⅱ4-1-2设在弹簧导杆4-1-1的中部，其与外螺纹Ⅰ4-3-1通过旋合连接，实现凸台4-1与上基体4-3的固定连接；所述上基体4-3包括外螺纹Ⅰ4-3-1、运动导杆4-3-2、磁铁安装槽4-3-3和上挡板4-3-4，所述外螺纹Ⅰ4-3-1设置在上挡板4-3-4上端面的中间位置，其与弹簧导杆4-1-1上的螺纹孔Ⅱ4-1-2旋合连接，所述运动导杆4-3-2周向均布在上挡板4-3-4下端面的靠外侧，所述磁铁安装槽4-3-3设置在运动导杆4-3-2的底端，矩形磁铁Ⅰ4-4通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽4-3-3上；所述下基体4-5包括外螺纹Ⅱ4-5-1和下挡板4-5-2，所述外螺纹Ⅱ4-5-1设置在下挡板4-5-2的下端面的中间位置，其与支撑圆柱2-3上的螺纹孔Ⅰ2-4旋合连接；所述摩擦发电部分4-6包括电极Ⅰ4-6-1、摩擦材料4-6-2、电极Ⅱ4-6-3和海绵胶4-6-4，所述电极Ⅰ4-6-1通过粘贴的方式固定在上基体4-3的下端面中部，所述电极Ⅱ4-6-3粘贴在海绵胶4-6-4上表面，所述电极Ⅰ4-6-1和电极Ⅱ4-6-3可用铜或铝材料制成，所述摩擦材料4-6-2粘贴在电极Ⅱ4-6-3的上表面，摩擦材料4-6-2可以采用PTFE、PDMS等聚合物材料制成，所述海绵胶4-6-4的另一面粘在下基体4-5的上端面，用于增大摩擦材料4-6-2和电极Ⅰ4-6-1的接触面积。
所述弹簧4-2外径D2大于弹簧导杆安装孔1-3的直径D1，防止弹簧4-2从弹簧导杆安装孔1-3向下滑落。
所述端盖2内周向布置n个压电发电单元3，n为大于1的正整数，本具体实施方式中n的取值为4。
工作原理：将俘能装置固定在旋转体上，俘能装置在随着旋转体转动的过程中，放置在由半圆形外壳体1组成的圆柱筒内的圆柱磁铁6会随着旋转体的转动在由半圆形外壳体1组成的圆柱筒中上下的滑动，使圆柱磁铁6与缠绕在两个半圆形外壳体1组成的圆柱筒外侧的电磁线圈5发生电磁感应现象，圆柱磁铁6切割磁感线，使电磁线圈5产生感应电流，实现电磁发电；在圆柱磁铁6上下滑动的过程中，圆柱磁铁6自身的重力作用于凸台4-1，使凸台4-1压缩弹簧4-2向下运动，从而带动上基体4-3向下运动，使粘贴在运动导杆4-3-2末端的矩形磁铁Ⅰ4-4与粘贴在压电发电单元3上的矩形磁铁Ⅱ3-1产生磁铁排斥力，从而使压电发电单元3产生形变，实现压电发电；同时，设置多个压电发电单元3，提高了能量转换效率；在上基体4-3向下运动时，粘贴在上基体4-3下端面的电极Ⅰ4-6-1与摩擦材料4-6-2接触，使得电极Ⅰ4-6-1和摩擦材料4-6-2上的两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷，当圆柱磁铁6的重力不在作用于凸台4-1，弹簧4-2在弹簧恢复力的作用下使凸台4-1带动上基体4-3向上运动，使电极Ⅰ4-6-1和摩擦材料4-6-2上的两个接触面分开，由于中间夹杂空气层，两面上电荷不能完全中和，形成电势差，为平衡这个电势差，通过静电感应在电极Ⅱ4-6-3上感应出相反电性的电荷，电极Ⅰ4-6-1和电极Ⅱ4-6-3用负载连接起来，电势差将使得电子在两个电极之间流动，以平衡材料间的静电电势差，在外部电路也就会形成瞬时电流，实现接触-分离式摩擦发电。
综合以上所述内容，本发明设计的一种面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，基于摩擦-压电-电磁复合的俘能方式提高了发电装置的输出功率和能量的转换效率，克服了单一的俘能方式，将产生的电能通过模块处理后可直接为无线传感器供电或蓄电池充电，实现了低速旋转能量的高效俘获，在环境振动能源利用技术领域具有广泛的应用前景。
Claims (8)
1.面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述该面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器由半圆形外壳体（1）、端盖（2）、压电发电单元（3）、摩擦发电组件（4）、电磁线圈（5）、圆柱磁铁（6）、螺栓（7）和螺母（8）组成；所述半圆形外壳体（1）利用螺栓（7）和螺母（8）通过螺纹连接的方式进行固定；所述端盖（2）利用螺栓（7）和螺母（8）通过螺纹连接的方式固定在半圆形外壳体（1）的两端；所述压电发电单元（3）通过胶粘的方式固定在方形凹槽（2-1）上；所述摩擦发电组件（4）通过弹簧（4-2）的支撑和螺纹孔Ⅱ（4-1-2）与外螺纹Ⅰ（4-3-1）的旋合连接实现了在半圆形外壳体（1）组成的圆柱筒和端盖（2）上的固定，所述电磁线圈（5）缠绕在两个半圆形外壳体（1）组成的圆柱体外表面中间位置，所述圆柱磁铁（6）放置在半圆形凹槽（1-2）内。
2.根据权利要求1所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述半圆形外壳体（1）设置有螺栓安装孔Ⅰ（1-1）、半圆形凹槽（1-2）、弹簧导杆安装孔（1-3）和螺栓安装孔Ⅱ（1-4）；所述螺栓安装孔Ⅰ（1-1）均布设置在半圆形外壳体（1）两侧的上端面；所述半圆形凹槽（1-2）设置在半圆形外壳体（1）的中部，圆柱磁铁（6）放置在半圆形凹槽（1-2）内；所述弹簧导杆安装孔（1-3）设置在半圆形外壳体（1）两端的中部；所述螺栓安装孔Ⅱ（1-4）设置在半圆形外壳体（1）两端的顶部。
3.根据权利要求1所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述端盖（2）装置有方形凹槽（2-1）、螺栓安装孔Ⅲ（2-2）、支撑圆柱（2-3）和螺纹孔Ⅰ（2-4）；所述方形凹槽（2-1）周向均布设置在端盖（2）的底部，压电发电单元（3）通过胶粘的方式固定在方形凹槽（2-1）内；所述螺栓安装孔Ⅲ（2-2）对称设置在端盖（2）上部；所述支撑圆柱（2-3）设置在端盖（2）内部的中间；所述螺纹孔Ⅰ（2-4）设置在支撑圆柱（2-3）的中部，其与外螺纹Ⅱ（4-5-1）旋合连接。
4.根据权利要求1所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述压电发电单元（3）由矩形磁铁Ⅱ（3-1）、矩形压电陶瓷片（3-2）和铜基板（3-3）组成，所述矩形磁铁Ⅱ（3-1）通过胶粘的方式固定在铜基板（3-3）的一端，所述矩形压电陶瓷片（3-2）通过胶粘的方式固定在铜基板（3-3）的中部。
5.根据权利要求1所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述摩擦发电组件（4）由凸台（4-1）、弹簧（4-2）、上基体（4-3）、矩形磁铁Ⅰ（4-4）、下基体（4-5）和摩擦发电部分（4-6）组成，所述凸台（4-1）与上基体（4-3）利用螺纹孔Ⅱ（4-1-2）与外螺纹Ⅰ（4-3-1）通过旋合连接进行固定，所述弹簧（4-2）套在弹簧导杆（4-1-1）上，所述矩形磁铁Ⅰ（4-4）通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽（4-3-3）上，所述下基体（4-5）利用螺纹孔Ⅰ（2-4）与外螺纹Ⅱ（4-5-1）的旋合连接固定在支撑圆柱（2-3）上，所述摩擦发电部分（4-6）通过粘贴的方式固定在上基体（4-3）和下基体（4-5）的端面上。
6.根据权利要求5所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述凸台（4-1）包括弹簧导杆（4-1-1）、螺纹孔Ⅱ（4-1-2）和挡板（4-1-3），所述弹簧导杆（4-1-1）设在挡板（4-1-3）一端面的中间，弹簧（4-2）套在弹簧导杆（4-1-1）上，所述螺纹孔Ⅱ（4-1-2）设在弹簧导杆（4-1-1）的中部，其与外螺纹Ⅰ（4-3-1）通过旋合连接；所述上基体（4-3）包括外螺纹Ⅰ（4-3-1）、运动导杆（4-3-2）、磁铁安装槽（4-3-3）和上挡板（4-3-4），所述外螺纹Ⅰ（4-3-1）设置在上挡板（4-3-4）上端面的中间位置，其与弹簧导杆（4-1-1）上的螺纹孔Ⅱ（4-1-2）旋合连接，所述运动导杆（4-3-2）周向均布在上挡板（4-3-4）下端面的靠外侧，所述磁铁安装槽（4-3-3）设置在运动导杆（4-3-2）的底端，矩形磁铁Ⅰ（4-4）通过胶粘的方式固定在磁铁安装槽（4-3-3）上；所述下基体（4-5）包括外螺纹Ⅱ（4-5-1）和下挡板（4-5-2），所述外螺纹Ⅱ（4-5-1）设置在下挡板（4-5-2）的下端面的中间位置，其与支撑圆柱（2-3）上的螺纹孔Ⅰ（2-4）旋合连接；所述摩擦发电部分（4-6）包括电极Ⅰ（4-6-1）、摩擦材料（4-6-2）、电极Ⅱ（4-6-3）和海绵胶（4-6-4），所述电极Ⅰ（4-6-1）通过粘贴的方式固定在上基体（4-3）的下端面中部，所述电极Ⅱ（4-6-3）粘贴在海绵胶（4-6-4）上表面，所述摩擦材料（4-6-2）粘贴在电极Ⅱ（4-6-3）的上表面，所述海绵胶（4-6-4）的另一面粘在下基体（4-5）的上端面。
7.根据权利要求5所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述弹簧（4-2）外径D2大于弹簧导杆安装孔（1-3）的直径D1。
8.根据权利要求1所述的面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器，其特征在于所述端盖（2）内周向均布有n个压电发电单元（3），n为大于1的正整数。
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