CN110912371A - 一种多机理复合式宽频带振动俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机理复合式宽频带振动俘能器，包括第一振动梁、第二振动梁、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈，所述第一振动梁与所述第一动磁体固连并在振动激励下带动所述第一动磁体振动，所述第二振动梁与所述第二动磁体固连并在振动激励下带动所述第二动磁体振动，其中所述第一振动梁与所述第二振动梁分体设置，所述第一动磁体与所述线圈之间能够通过电磁感应输出电能，所述第一动磁体和所述第二动磁体能够在所述第一振动梁和所述第二振动梁带动下触碰所述高频压电复合梁，并根据触碰所述高频压电复合梁的压电效应输出电能。本发明的宽频带振动俘能器具备低频宽频带俘能效果、同时输出较大的电压和较大电流及更广泛的最佳负载应用范围。

Description

一种多机理复合式宽频带振动俘能器

技术领域

本发明属于俘能技术领域，尤其涉及一种多机理的复合式宽频带振动俘能器。

背景技术

随着微系统技术的发展，各型微器件的应用领域和应用范围愈发广泛，特别在密闭、旋转及空间尺寸相对有限的应用环境中，由于系统尺寸的限制以及传统电池自持电能有限、连线方式供能环境适应性差等问题，致使传统供能方式无法满足与微器件集成的供能新需求。因此，可以长时工作、占用工作空间小、环境适应性强的俘能技术成为近年来微能源领域的研究热点。

俘能技术实现将环境中的振动能、热能、电磁能量转化为电能供给低功耗器件工作，以替换传统供能方式或延长电池电能。由于振动能无处不在、无时不有，因此，将器件环境中的振动能量转化为电能的振动俘能技术是其中应用最广泛且最具前景的技术之一。现阶段，振动俘能技术主要包括三类，分别是基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器及基于电容原理的静电式俘能器。三种类型的俘能器都有其各自不同的特点，压电式俘能器的输出电压较大，但内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安到几十微安，最佳负载一般达到几十kΩ到1MΩ；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压只有几十到几百毫伏，最佳负载通常为几十到几百欧姆；静电式俘能器则需要驻极体或开启电压才可正常工作，同样存在输出电流较小的问题。因此，基于单一机理的振动俘能器无法同时输出较大电压和较大电流，并且最佳负载的应用范围也相对受限，所以需在同一结构上同时集成两种或多种俘能机理，以实现更广泛的应用效果。

另一方面，振动俘能器应用环境中的工作频率往往以低频振动为主，大都小于200Hz，并且振动俘能器的输出电能与振动频率成反比，振动频率越低、输出能量越低。因此，振动俘能器需要解决低频工作环境中输出电能较小的问题。此外，振动俘能器工作环境中的振动通常分布在一定的频带范围内的随机振动，为提高俘能器在实际应用环境中的应用能力，需要拓宽俘能器的工作带宽，以覆盖较宽的工作振动频率，提高俘能效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成压电俘能和电磁俘能作用机理，同时具有宽频带、较大输出电压和较大输出电流的复合式振动型俘能器。

为实现上述目的，本发明的多机理复合式宽频带振动俘能器，包括第一振动梁、第二振动梁、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈，所述第一振动梁与所述第一动磁体固连并在振动激励下带动所述第一动磁体振动，所述第二振动梁与所述第二动磁体固连并在振动激励下带动所述第二动磁体振动，其中所述第一振动梁与所述第二振动梁分体设置，所述第一动磁体与所述线圈之间能够通过电磁感应输出电能，所述第一动磁体和所述第二动磁体能够在所述第一振动梁和所述第二振动梁带动下触碰所述高频压电复合梁，并根据触碰所述高频压电复合梁的压电效应输出电能。

进一步，所述复合式宽频带振动俘能器还包括驻极体结构，所述驻极体结构的静电上电极设置于所述高频压电复合梁上，所述驻极体结构的驻极体和静电下电极，与所述静电上电极沿所述高频压电复合梁的振动方向相隔一定间隙，根据所述驻极体结构随所述高频压电复合梁振动引起的驻极体结构间距变化输出电能。

进一步，所述第一动磁体和所述第二动磁体沿同一水平面间隔设置并且所述第一动磁体和所述第二动磁体的磁性相反。

进一步，所述第一振动梁的一端固定，所述第一振动梁的自由端与所述第一动磁体固连，所述第二振动梁的一端固定，所述第二振动梁的自由端与所述第二动磁体固连，所述线圈和所述高频压电复合梁位于所述第一振动梁的振动方向两侧，所述线圈与所述第一动磁体在竖直方向上位置对应。

进一步，所述宽频带振动俘能器还包括安装固定结构，在所述安装固定结构的竖直方向上间隔设置有沿水平方向延伸的支撑梁、所述第一振动梁、所述第二振动梁和所述高频压电复合梁，所述第一振动梁和所述第二振动梁设置于所述支撑梁和所述高频压电复合梁之间，所述线圈设置于所述支撑梁朝向所述第一振动梁一侧。

进一步，所述第一振动梁为包括第一悬臂和第二悬臂的双悬臂梁，所述第一悬臂与所述第二悬臂沿水平方向平行间隔设置，固定在所述第一悬臂和所述第二悬臂自由端的所述第一动磁体与固定在所述第二振动梁自由端的所述第二动磁体沿水平方向间隔一定距离。

进一步，所述第一动磁体和所述第二动磁体之间的水平距离范围为1.5mm～5mm。

进一步，所述第一振动梁的自由端固连有配重质量块，所述第二动磁体通过所述配重质量块与所述第二振动梁的自由端固连。

进一步，所述高频压电复合梁为多层压电复合梁结构，自上至下依次为上电极层、压电层、下电极层和支撑梁，所述压电层为多层压电层。

进一步，所述静电上电极设置于所述支撑梁朝向所述驻极体和所述静电下电极一侧。

进一步，所述第一振动梁的长度大于所述第二振动梁的长度。

进一步，所述高频压电复合梁的长度大于所述第一振动梁的长度。

本发明的宽频带振动俘能器，通过将第一振动梁、第二振动梁、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈集成在一起，得到压电俘能和电磁俘能复合结构的俘能器，兼具压电式俘能器输出电压大以及电磁式俘能器输出电流大等优点。此外，第一振动梁和第二振动梁各自在不同频率下谐振，具备多阶工作模态，可以满足宽频带工作的要求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1为本发明宽频带振动俘能器的结构示意图；

图2为本发明宽频带振动俘能器的剖面图；

图3为本发明宽频带振动俘能器中第一振动梁和第二振动梁的示意图；

图4为本发明宽频带振动俘能器中高频压电复合梁的结构示意图；

图5为本发明宽频带振动俘能器中高频压电复合梁的截面图；

图6为本发明宽频带振动俘能器中驻极体结构的驻极体和静电下电极的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

如图1-图3所示，本发明的多机理复合式宽频带振动俘能器，包括第一振动梁1、第二振动梁3、高频压电复合梁2、第一动磁体4、第二动磁体5和线圈6，所述第一振动梁1与所述第一动磁体4固连并在振动激励下带动所述第一动磁体4振动，所述第二振动梁3与所述第二动磁体5固连并在振动激励下带动所述第二动磁体5振动，其中所述第一振动梁1与所述第二振动梁3分体设置，亦即二者之间不相互连接，所述第一动磁体4与所述线圈6之间能够通过电磁感应输出电能，所述第一动磁体4和所述第二动磁体5能够在所述第一振动梁1和所述第二振动梁3带动下触碰所述高频压电复合梁2，并根据触碰所述高频压电复合梁2的压电效应输出电能。

本实施例中第一振动梁1的一端固定，所述第一振动梁1的另一端为自由端与所述第一动磁体4固连，所述第二振动梁3的一端固定，所述第二振动梁3的另一端为自由端与所述第二动磁体5固连，所述线圈6位于第一振动梁1的上侧，所述高频压电复合梁2位于所述第一振动梁的下侧，所述线圈6与所述第一动磁体4在竖直方向上位置对应。在振动激励下第一振动梁1和第二振动梁3各自在不同频率下谐振，带动第一动磁体4与线圈6之间位移变化而致使线圈6中的磁通量也随之变化，依据电磁感应输出电能。此外，第一动磁体4和第二动磁体5随第一振动梁1和第二振动梁3振动时会触碰高频压电复合梁2，进而将低频振动转化为高频压电复合梁2的高频振动并依据压电效应输出电能。

本发明的宽频带振动俘能器，通过将第一振动梁、第二振动梁、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈集成在一起，得到压电俘能和电磁俘能复合结构的俘能器，兼具压电式俘能器输出电压大以及电磁式俘能器输出电流大等优点。此外，第一振动梁和第二振动梁分体设置，二者不存在连接关系，各自在不同频率下谐振，具备多阶工作模态，可以满足宽频带工作的要求。

如图1、5和图6所示，复合式宽频带振动俘能器还包括驻极体结构7，所述驻极体结构7的静电上电极71设置于所述高频压电复合梁2上，所述驻极体结构7的驻极体72和静电下电极73，与所述静电上电极71沿所述高频压电复合梁2的振动方向相隔一定间隙，根据所述驻极体结构7随所述高频压电复合梁振动引起的驻极体结构间距变化输出电能。俘能器上增加驻极体结构可以利用静电俘能机理输出电能，在压电俘能和电磁俘能基础上集成了静电俘能，兼具压电式俘能器输出电压大、电磁式俘能器输出电流大以及静电俘能器能量转化效率高等优点。

可选的，所述宽频带振动俘能器还包括安装固定结构9，在所述安装固定结构9的竖直方向上间隔设置有沿水平方向延伸的支撑梁8、所述第一振动梁1、所述第二振动梁3和所述高频压电复合梁2，所述第一振动梁1和所述第二振动梁3设置于所述支撑梁8和所述高频压电复合梁2之间，所述线圈6设置于所述支撑梁8朝向所述第一振动梁1一侧。本实施例中，安装固定结构9的形状为长方体，支撑梁8、第一振动梁1和高频压电复合梁2自上而下沿竖直方向上间隔设置于安装固定结构9上。支撑梁8、第一振动梁1和高频压电复合梁2沿水平方向延伸，第一振动梁1和第二振动梁3处于同一水平面，第一振动梁1和第二振动梁3在振动激励下能够振动。需要说明的是，支撑梁8、第一振动梁1、第二振动梁3和高频压电复合梁2在安装固定结构9上的位置并不局限于此，例如支撑梁8、第一振动梁1和高频压电复合梁2也可自下而上间隔设置，本发明并不以此为限制。

第一振动梁1的一端与安装固定结构9固连，所述第一振动梁1的另一端为自由端与第一动磁体4固连。第二振动梁3的一端与安装固定结构9固连，第二振动梁3的另一端为自由端与第二动磁体5固连。。第二振动梁3固连第二动磁体5的自由端朝向第一动磁体4，可以节省整个结构的占用空间，便于俘能器的小型化。

所述第一动磁体4和所述第二动磁体5沿同一水平面间隔设置并且所述第一动磁体4和所述第二动磁体5的磁性相同。利用第一动磁体4和第二动磁体5间的非线性磁力进一步提高俘能频带、增大输出电能。第一动磁体4可以为两个磁铁，两磁铁分别粘接在第一振动梁1的上下表面，第二动磁体5可以直接粘结在第二振动梁3的自由端，并保持第一动磁体4和第二动磁体5的磁极面相对。第一动磁体4和第二动磁体5之间的水平距离优选为1.5mm～5mm。

第一动磁体4、第一振动梁1、第二动磁体5和第二振动梁3的长度、厚度、宽度可以优化设计，实现不同的工作频率。

高频压电复合梁2位于第一振动1和第二振动梁3的下侧，一端为固定端，另一端为自由端。所述的高频压电复合梁2的受到第二动磁体5的机械触碰，发生一定位移的形变以输出电能。所述的高频压电复合梁2的谐振频率大于第一振动梁1和第二振动梁3的谐振频率，实现在相对较低的振动频率下激发引起高频振动俘能，输出较大的电能。所述的高频压电复合梁2为自由衰减振动响应，实现高频振动俘能。如图4和5所示，所述的高频压电复合梁2在厚度方向为多层压电复合梁结构，自上至下依次为上电极层21、压电层22、下电极层23和支撑梁24，宽度分别相等，压电层22为具有多层的多层压电层。所述的高频压电复合梁具有柔性变形能力，多层压电层并联用以提高输出电流。上电极层21用于外接正极导线；压电层22位于上电极层21的下层；下电极层23位于压电层22的下层，用于外接负极导线；支撑梁24位于下电极层23的下层；高频压电复合梁2的长度大于低频振动结构1的长度。压电层22的材料可以为PZT。上电极层21和下电极层23用于与外界负载相连，输出压电层22产生的能量。

驻极体结构的驻极体72和静电下电极73位于高频压电复合梁2的下侧，由驻极体层、静电下电极层组成，并与高频压电复合梁2在厚度方向上具有一定的间隙，间隙小于高频压电复合梁2的振动幅值；静电上电极71设置于所述支撑梁8朝向所述驻极体72和所述静电下电极73一侧，静电下电极73固定于驻极体72的下表面；在振动激励下，第一动磁体4和第二动磁体5触碰高频压电复合梁2发生高频振动，高频压电复合梁2在振动过程与驻极体72的间距发生变化，动态变化过程中，基于静电电容机理，在静电上电极71上敏感出电荷，通过静电上电极71、静电下电极73输出电能。由于高频压电复合梁为高频振动，因此，驻极体输出电能同样具有高频输出特点，实现高能量转化效率。

线圈6位于第一动磁体4上侧，并固定于支撑梁8上。所述的线圈6中通过的磁通量由于第一动磁体4的位移变化而随时间发生变化，进而在线圈6中输出电能。所述的线圈6为平面线圈或绕式线圈，并且平面线圈可由多层共同组成。所述线圈6中输出的电能由电磁感应定律引起，负载大小为几十欧姆到几百欧姆的范围内。

可选的，所述第二振动梁3的自由端固连有配重质量块10，所述第二动磁体5通过所述配重质量块10与所述第二振动梁3的自由端固连，增加配重质量块10既可以保证第二振动梁3振动时第二动磁体5触碰到高频压电复合梁2，又可以随第二振动梁3振动而触碰高频压电复合梁2，使高频压电复合梁2在第二动磁体5和配重质量块10的触碰下的压电效应输出电能。本实施例中将第二动磁体5和配重质量块10随第二振动梁3的低频振动转换为触碰高频压电复合梁2的高频振动，实现在相对较低的低频振动频率下激发起高频振动俘能，输出较大的电能。此外，在实际应用中，不仅第二动磁体5和配重质量块10可以触碰高频压电复合梁2，第一动磁体4随第一振动梁1振动时也可以触碰高频压电复合梁2，使高频压电复合梁2发生形变，而在低频振动频率下激发高频振动俘能，输出较大的电能。需要说明的是，当第二动磁体5的质量足够令其随第二振动梁3振动，触碰到高频压电复合梁2，也可以省略配重质量块10。

可选的，所述第一振动梁1为包括第一悬臂11和第二悬臂12的双悬臂梁，所述第一悬臂11与所述第二悬臂12沿水平方向平行间隔设置，第二振动梁3设置在第一悬臂11与第二悬臂12之间以节省空间，便于俘能器的小型化。

本发明通过在同一结构上同时集成压电俘能机理、电磁俘能机理与静电俘能机理，提高俘能结构的能量转化效率与输出功率，并同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围。利用第一动磁体和第二动磁体机械触碰高频压电复合梁，实现将低频振动转化为高频振动，使俘能器在低频振动环境下能够发生高频振动俘能，输出较大的电能。利用低频触发结构中第一动磁体与第二动磁体间的非线性磁力作用，实现振动结构的非线性振动响应，进而使线圈、高频压电复合梁与驻极体同时实现宽频带俘能。通过本发明解决传统振动俘能器在低频振动环境中因谐振频率低、俘能频带窄而导致输出电能小、能量转化效率低、负载匹配难度大等问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，包括第一振动梁、第二振动梁、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈，所述第一振动梁与所述第一动磁体固连并在振动激励下带动所述第一动磁体振动，所述第二振动梁与所述第二动磁体固连并在振动激励下带动所述第二动磁体振动，其中所述第一振动梁与所述第二振动梁分体设置，所述第一动磁体与所述线圈之间能够通过电磁感应输出电能，所述第一动磁体和所述第二动磁体能够在所述第一振动梁和所述第二振动梁带动下触碰所述高频压电复合梁，并根据触碰所述高频压电复合梁的压电效应输出电能。

2.如权利要求1所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述复合式宽频带振动俘能器还包括驻极体结构，所述驻极体结构的静电上电极设置于所述高频压电复合梁上，所述驻极体结构的驻极体和静电下电极，与所述静电上电极沿所述高频压电复合梁的振动方向相隔一定间隙，根据所述驻极体结构随所述高频压电复合梁振动引起的驻极体结构间距变化输出电能。

3.如权利要求1所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述第一动磁体和所述第二动磁体沿同一水平面间隔设置并且所述第一动磁体和所述第二动磁体的磁性相反。

4.如权利要求2所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述第一振动梁的一端固定，所述第一振动梁的自由端与所述第一动磁体固连，所述第二振动梁的一端固定，所述第二振动梁的自由端与所述第二动磁体固连，所述线圈和所述高频压电复合梁位于所述第一振动梁的振动方向两侧，所述线圈与所述第一动磁体在竖直方向上位置对应。

5.如权利要求4所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述宽频带振动俘能器还包括安装固定结构，在所述安装固定结构的竖直方向上间隔设置有沿水平方向延伸的支撑梁、所述第一振动梁、所述第二振动梁和所述高频压电复合梁，所述第一振动梁和所述第二振动梁设置于所述支撑梁和所述高频压电复合梁之间，所述线圈设置于所述支撑梁朝向所述第一振动梁一侧。

6.如权利要求4所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述第一振动梁为包括第一悬臂和第二悬臂的双悬臂梁，所述第一悬臂与所述第二悬臂沿水平方向平行间隔设置，固定在所述第一悬臂和所述第二悬臂自由端的所述第一动磁体与固定在所述第二振动梁自由端的所述第二动磁体沿水平方向间隔一定距离。

7.如权利要求6所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述第一动磁体和所述第二动磁体之间的水平距离范围为1.5mm～5mm。

8.如权利要求4所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述第一振动梁的自由端固连有配重质量块，所述第二动磁体通过所述配重质量块与所述第二振动梁的自由端固连。

9.如权利要求2所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述高频压电复合梁为多层压电复合梁结构，自上至下依次为上电极层、压电层、下电极层和支撑梁，所述压电层为多层压电层。

10.如权利要求9所述的多机理复合式宽频带振动俘能器，其特征在于，所述静电上电极设置于所述支撑梁朝向所述驻极体和所述静电下电极一侧。

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