CN110994936A - 一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层多自由度压电‑电磁复合振动俘能装置，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层电压电磁复合振动俘能支路，平面向俘能机构包括第二层电压电磁复合振动俘能支路，纵向俘能机构用于俘获竖直纵向的振动能量，第二层电压电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上振动能量。实现多自由度的振动能量转换和俘能，提高了能量转换效率和俘能效果，具有更高的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，具体涉及一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置。
背景技术
近些年，对于科学技术的快速发展促进了微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、无线传感器网络(WSN)以及低功耗嵌入式技术极速发展，并以低功耗、分布式、低成本及自组织的优点给传统的信息感知技术带来了技术性的变革。但是常规的化学电池供电方式由于具有寿命短、需频繁定期更换且易造成环境污染等问题，已经不适应高速发展的信息革新技术。而能够将环境中的振动激励等转化为可利用电能，并减小对外部电源依赖的自供能方式吸引了国内外众多学者的广泛关注，并成为当前的研究热点。
目前基于静电、压电和电磁等俘能机理而制成的振动俘能装置是最常见俘能器。基于压电材料的振动俘能器(Piezoelectric Vibration Energy Harvester,PVEH)具有高能量密度、环保性好及易与微机电系统集成等优势而被广泛研究。专利(CN203951386U)设计出一种可宽频、单自由度的微型压电振动能量俘能器，仅能俘获单自由度上的振动能。而电磁式振动俘能装置(Electromagnetic Vibration Energy Harvester,EVEH)基本都采用非接触式的工作方式，且其阻尼相对较小。专利(CN106160396A)提出了一种可旋转磁铁的电磁振动俘能器。但是也存在基于单一转换机理的振动俘能装置对环境中振动能量的收集和转换效率有限的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，实现多自由度的振动能量转换和俘能，提高了能量转换效率和俘能效果，具有更高的环境适应性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层电压电磁复合振动俘能支路、第三层电压电磁复合振动俘能支路和立柱，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路分别设置于立柱的上端和下端，平面向俘能机构包括第二层电压电磁复合振动俘能支路，纵向俘能机构用于俘获竖直纵向的振动能量，第二层电压电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上振动能量。
按照上述技术方案，支架为框型支架，第一层电压电磁复合振动俘能支路、第二层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路由上至下依次布置于框型支架内。
按照上述技术方案，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路的结构相同，均包括十字形固支粱，十字形固支梁的四个端部分别与支架铰接，十字形固支梁四端的上下表面均安设有压电片，立柱的上端面和下端面均设有第一永磁体，两个第一永磁体的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈。
按照上述技术方案，十字形固支梁由四个单根固支梁以立柱为中心沿周向水平均匀分布构成。
按照上述技术方案，与第一永磁铁相对应的线圈分别固设于支架的顶板和底板上。
按照上述技术方案，第二层电压电磁复合振动俘能支路包括方框形固支梁，方框形固支梁每一边的内外两侧均布置有第二永磁铁，方框形固支梁每一边的两端均与支架铰接，方框形固支梁每一边布置的两个第二永磁铁的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈，方框形固支梁每一边的内外两侧均设有压电片。
按照上述技术方案，压电片设置于相应同侧第二永磁铁的下方，与第二永磁铁对应的两个线圈分别固设于立柱和支架上。
按照上述技术方案，方框形固支梁由四个竖直侧向布置的单根固支梁呈正方形或长方形分布构成；单根固支梁的竖直侧向布置是指单根固支梁的宽度面竖直与十字形固支梁的平面相垂直。
按照上述技术方案，压电片为PZT压电陶瓷片，两个成对布置的线圈中，两个线圈均为平面线圈或螺线管线圈，或一个线圈为平面线圈，另一端线圈为螺线管线圈。
按照上述技术方案，所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置还包括控制系统，控制系统包括计算机、单片机处理电路、数据采集电路和信号控制电路，计算机与单片机处理电路连接，数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，单片机处理电路还连接有电源电路，数据采集电路分别与各层电压电磁复合振动俘能支路连接。
本发明具有以下有益效果：
通过多层电压电磁复合振动俘能支路并结合压电和电磁复合俘能技术，实现多自由度的振动能量转换和俘能，提高了能量转换效率和俘能效果，具有更高的环境适应性。
附图说明
图1是本发明实施例中多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中纵向俘能机构的结构示意图；
图3是本发明实施例中第二层电压电磁复合振动俘能支路的结构示意图；
图4是本发明实施例中顶板的结构示意图；
图5是本发明实施例中底板的结构示意图；
图中，1-方框型支架，2-第一永磁铁，3-十字形固支梁a，4-第一压电片，5-螺线管线圈，6-第二永磁铁，7-方框形固支梁，8-第二压电片，9-立柱，10-十字形固支梁b，11-平面线圈，12-第一单根固支梁，13-顶板，14-底板，7.1-第二单根固支梁a，7.2-第二单根固支梁b，7.3-第二单根固支梁c，7.4-第二单根固支梁d。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图5所示，本发明提供的一个实施例中的一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层电压电磁复合振动俘能支路、第三层电压电磁复合振动俘能支路和立柱9，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路分别设置于立柱9的上端和下端，平面向俘能机构包括第二层电压电磁复合振动俘能支路；纵向俘能机构用于俘获竖直纵向(竖直纵向即Z轴方向)的振动能量，第二层电压电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上(与竖直纵向相垂直的平面上，相互垂直的两个轴向即为X轴和Y轴方向)的振动能量。
进一步地，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路用于将俘获环境中Z轴方向的振动转换为压电的输出电压和电磁的输出电流，第二层电压电磁复合振动俘能支路用于将俘获的环境中X轴和Y轴方向的振动转换为压电的输出电压和电磁的输出电流。
进一步地，支架为方框型支架1，第一层电压电磁复合振动俘能支路、第二层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路由上至下依次布置于方框型支架1的方框内。
进一步地，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路的结构相同，均包括十字形固支粱，十字形固支梁的四个端部分别与支架铰接，十字形固支梁四端的上下表面均安设有压电片，立柱9的上端面和下端面均设有第一永磁体，其中一个第一永磁体的正对面固设有平面线圈11，另一个第一永磁体的正对面固设有螺线管线圈5。
进一步地，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路的十字形固支梁分别记为十字形固支梁a3和十字形固支梁b10，十字形固支梁a3的水平投影与十字形固支梁b10的水平投影完全重合。
进一步地，第一层电压电磁复合振动俘能支路与第三层电压电磁复合振动俘能支路以立柱9的长度中心对称布置。
进一步地，立柱设置于十字形固支粱的中心，立柱设置于方框形固支梁内，并与方框形固支梁的中心轴线重合。
进一步地，十字形固支梁由四个第一单根固支梁12以立柱9为中心沿周向水平均匀分布构成，第一单根固支梁12的内端与立柱9连接，第一单根固支梁12的外端与支架铰接，第一单根固支梁12外端的上下表面均安设有压电片。
进一步地，与第一永磁铁2相对应的平面线圈11和螺线管线圈5分别固设于支架的顶板13和底板14上。
进一步地，第二层电压电磁复合振动俘能支路包括方框形固支梁7，方框形固支梁7每一边的内外两侧均布置有第二永磁铁6，方框形固支梁7每一边的两端均与支架铰接，方框形固支梁7每一边布置的两个第二永磁铁6的正对面分别固设有平面线圈11和螺线管线圈5，方框形固支梁7每一边的内外两侧均设有压电片。
进一步地，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路中的压电片为第一压电片4，第二层电压电磁复合振动俘能支路中的压电片为第二压电片8。
进一步地，压电片设置于相应同侧第二永磁铁6的下方，与第二永磁铁6对应的平面线圈11和螺线管线圈5分别固设于立柱9和支架上。
进一步地，方框形固支梁7由四个竖直侧向布置的第二单根固支梁呈正方形或长方形分布构成，4个第二单根固支梁分别为第二单根固支梁a7.1、第二单根固支梁b7.2、第二单根固支梁c7.3和第二单根固支梁d7.4，依次首尾相连，并且每个第二单根固支梁的两端均与支架铰接。
进一步地，压电片为PZT压电陶瓷片。
进一步地，所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置还包括控制系统，控制系统包括计算机、单片机处理电路、数据采集电路和信号控制电路，计算机与单片机处理电路连接，数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，单片机处理电路还连接有电源电路，数据采集电路分别与各层电压电磁复合振动俘能支路中的压电片、平面线圈11和螺线管线圈5连接。
进一步地，立柱9设置于方框形固支梁7正中心，方框形固支梁7水平投影的各边与十字形固支梁水平投影的对应边垂直。
本发明的工作原理：
如图1所示，一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，包括作为支撑结构的方框型支架1，所述方框型支架1的上中下三层各设置了一套俘获不同振动方向上能量的俘能支路。所述方框型支架1的第一层俘能支路设有可以俘获Z轴方向的振动能量的压电和电磁复合振动俘能支路，所述方框型支架1的中间设有第二层俘能支路即可以俘获X轴方向和Y轴方向的振动能量的压电和电磁复合振动俘能支路，所述方框型支架1的最底层即同样可以俘获Z轴方向的振动能量的压电和电磁复合振动俘能支路，由于第一层俘能支路和第三层俘能支路共同组成了此三层俘能支路的中的电磁振动俘能支路。
所述方框型支架1的第一层振动俘能支路包括四端固定的十字形固支梁，为平面结构，十字形固支梁中间靠近支架顶部(立柱9顶部)的是固定的第一永磁体，而十字形固支梁背离支架顶部方向设置的是下部立柱9，而正对于固定第一永磁体的顶部方向设置的是固定的平面线圈11，十字形固支梁的四个端部分别与方框型支架1的四个固定面铰接，而铰接处十字形固支梁的上下两个表面分别粘贴固定两片PZT压电陶瓷片(锆钛酸铅)，且八片PZT压电陶瓷片的输出信号会通过计算机输入到系统的测控程序中。
所述方框型支架1的第二层振动俘能支路包括与固定支架铰接的且与十字形固支梁的平面相互垂直放置的压电-电磁复合振动俘能支路。其中，立式放置的俘能支路的单根固支粱两侧粘贴固定的是两片PZT压电陶瓷片，而在PZT压电陶瓷片的两侧同样固定着左右放置的两个永磁体。在外侧的第二永磁体的正对面即方框型支架1的固定面处放置的是螺线管线圈5，而在内侧的第二永磁体的正对面即立柱9的表面放置了平面线圈11。而该方向上相对布置的第二单根固支粱a和第二单根固支粱c处成对布置的第二永磁体和PZT压电陶瓷片共同组成了一对压电-电磁复合振动俘能支路，此处安排同样的俘能装置只为整个俘能装置系统的结构完整以及提高振动能量转换的效果。此处假设认为是俘获X轴方向上的振动能量。
上述为俘获X轴方向上的振动能量，而对于Y轴方向的振动能量，则采用方框型支架1上另一方向上相对布置的第二单根固支梁b7.2和第二单根固支梁d7.4形成的压电-电磁复合振动俘能支路。第二单根固支梁b7.2和第二单根固支梁d7.4形成的压电-电磁复合振动俘能支路与第二单根固支粱a和第二单根固支粱c形成的压电-电磁复合振动俘能支路的结构相同，只是布置方向不同，框型支架而此另一方向上相对布置的第二单根固支粱a和第二单根固支粱c处成对布置的第二永磁体和PZT压电陶瓷片共同组成了一对压电-电磁复合振动俘能支路，此处安排同样的俘能装置只为整个俘能装置系统的结构完整以及提高振动能量转换的效果。此处可认为是俘获Y轴方向上的振动能量。
所述方框型支架1的第三层振动俘能支路包括四端固定的十字形固支梁，为平面结构，十字形固支梁由四个第一单根固支梁12以立柱9为中心沿周向水平均匀分布构成，十字形固支梁中间靠近支架底部(立柱9底部)是固定的第一永磁体，而十字形固支梁背离支架底部方向设置的是下部立柱9，而正对于固定第一永磁体的底部方向设置的是固定的平面线圈11，十字形固支梁的四个端部分别与方框型支架1的四个固定面铰接，而铰接处十字形固支梁的上下两个表面分别粘贴固定两片PZT压电陶瓷，且八片PZT压电陶瓷片的输出电压会通过计算机输入到系统的测控程序中。此处与第一层俘能装置构成了中间立柱9的连接固定面，从而俘获Z轴方向的振动能量。
所述控制系统包括一微型计算机、单片机处理电路、数据采集电路、信号控制电路，所述微型计算机与单片机处理电路通过数据发送电路连接，所述数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，所述单片机处理电路与电源电路连接，所述信号输出与输入电路分别与D/A模块电路与A/D模块电路连接，所述数据采集电路分别与该俘能器的各个俘能部件相连接。
本实施例所述压电陶瓷片的中间部分是弹性层，弹性层的上下两部分是压电陶瓷片。当外部施加激励载荷作用于压电陶瓷片上，此PZT内部极化方向上就会形成一定的电势，这是由于压电材料具有正逆压电效应中的正压电效应，从而在振动过程中PZT就会产生输出电压，计算机接收端会采集到PZT的输出电能。
本实施例所述的永磁体与线圈组成的电磁振动俘能支路，利用了法拉第电磁感应定律，当通过感应线圈的磁通量发生了改变，则在感应线圈的端部机会产生感应电流。而且当磁通量变化的越快，输出的电量就会越多，磁通量变化的越慢，输出的电量就会越少。
本发明的工作过程如下：
本发明一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置包括三层俘获能量支路。在外部振动激励条件激励下，对于第一层振动俘能支路来说，十字形固支梁中间部分即可上下运动立柱9顶部的第一永磁体会由于外接的振动，而在系统中随着Z轴方向的振动而振动。由于正对于第一永磁体的支架顶盖处安装了平面线圈11，所以在振动过程中穿过此线圈的磁通量是不断变化的，进而有感应电流输出即将坐标系中Z轴方向的振动能转换为了电能进行输出。十字形固支梁结构与方框型支架1的固定处，两片PZT压电陶瓷片对称粘贴固定在梁的上下层。在外接激振源激励此结构进行运动，由于PZT具有的正压电效应会将外部激励振动转换为压电片的输出电能。同样的对于十字形固支梁的其余三端头的PZT压电陶瓷片分别都可以将Z轴方向上的振动能量转换为压电片的输出电能。由于结构的分布所以依托结果而设计了对称布置的上下两片各四部分的压电振动俘能支路，从而也提高了振动能量的俘获效果即多路俘能支路会高于单一俘能支路的俘能效果。
根据以上运动原理可以得知第一层只是俘获坐标系中Z轴方向上的振动能量。而对于坐标系中其余两个方向上的振动能量的俘获正是由该机构中第二层振动俘能支路俘获的。两块第二永磁体和第二永磁体对应的平面线圈11、螺线管线圈5及两片PZT压电陶瓷片与垂直放置的单根固支粱共同组成了第一个压电-电磁复合振动俘能支路。假定压电-电磁复合振动俘能支路的振动方向为X轴方向，那么当外部激励施加在给该机构上时，两片PZT压电陶瓷片由于压电的正压电效应而对于X轴方向的振动能量转化为PZT表面的输出电能。而两块第二永磁体和其对应的平面线圈11及螺线管线圈5则会根据法拉第电磁感应定律对于通过线圈的磁通量发生了变化，变化快慢的速度会直接影响其输出电量的大小。此处将X方向上的振动能分别转化为压电的输出电能和电磁线圈的输出电能。
而两块第二永磁体和其对应的平面线圈11、螺线管线圈5及两片PZT压电陶瓷片与垂直放置的单根固支粱共同组成了一个压电-电磁复合振动俘能支路。由于一个方向上与其垂直放置的压电-电磁复合振动俘能支路被认定为是可以俘获X轴方向的振动能量，所以此处另一方向上压电-电磁复合振动俘能支路是俘获Y轴方向的振动能量。具体如下：那么当外部激励施加在给该机构上时，两片PZT压电陶瓷片由于压电的正压电效应而对于Y轴方向的振动能量转化为PZT表面的输出电能。而两块第二永磁体及其对应的平面线圈11和螺线管线圈5则会根据法拉第电磁感应定律对于通过线圈的磁通量发生了变化，变化快慢的速度会直接影响其输出电量的大小。此处将Y方向上的振动能分别转化为压电的输出电能和电磁线圈的输出电能。同样的对于压电-电磁复合振动俘能支路也都是利用上述原理进行能量俘获的。
在外部振动激励条件激励下，对于第三层振动俘能支路来说，十字形固支梁中间部分即可上下运动立柱9底部的第一永磁体会由于外接的振动，而在系统中随着Z轴方向的振动而振动。由于正对于永磁体的支架底盖处安装了平面线圈11，所以在振动过程中穿过此线圈的磁通量是不断变化的，进而有感应电流输出即将坐标系中Z轴方向的振动能转换为了电能进行输出。十字形固支梁结构与方框型支架1的固定处，两片PZT压电陶瓷片对称粘贴固定在十字形固支梁一端的上下层。在外接激振源激励此结构进行运动，由于PZT具有的正压电效应会将外部激励振动转换为压电片的输出电能。同样的对于十字形固支梁的其余端头的PZT压电陶瓷片分别都可以将Z轴方向上的振动能量转换为压电片的输出电能。由于结构的分布所以依托结果而设计了对称布置的上下两片各四部分的压电振动俘能支路，从而也提高了振动能量的俘获效果即多路俘能支路会高于单一俘能支路的俘能效果。
综上所述，本发明公开了一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置。该装置包括：方框型支架、运动立柱9、两端固定的固支粱、压电片、永磁铁、线圈。所述方框型支架内部设有三层振动俘能支路，所述第一层和第三层振动俘能支路的类十字架结构的四个端部与方框型支架固定，所述运动立柱9连接此两层俘能支路，用于俘获Y轴方向的振动能量。而所述第二层振动俘能支路中相互垂直安置的固支粱两侧设有压电片、永磁铁以及线圈组成压电-电磁复合振动俘能支路，用于俘获X轴、Y轴方向的振动能量。本发明能够俘获环境中来自坐标系中三个方向的振动能，并且还具有宽频作用，提高系统振动俘能效果。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层电压电磁复合振动俘能支路，平面向俘能机构包括第二层电压电磁复合振动俘能支路，纵向俘能机构用于俘获竖直纵向的振动能量，第二层电压电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上振动能量。
2.根据权利要求1所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，支架为框型支架，纵向俘能机构还包括第三层电压电磁复合振动俘能支路和立柱，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路依次设置于立柱的上端和下端，第一层电压电磁复合振动俘能支路、第二层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路由上至下依次布置于框型支架内。
3.根据权利要求2所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，第一层电压电磁复合振动俘能支路和第三层电压电磁复合振动俘能支路的结构相同，均包括十字形固支粱，十字形固支梁的四个端部分别与支架铰接，十字形固支梁四端的上下表面均安设有压电片，立柱的上端面和下端面均设有第一永磁体，两个第一永磁体的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈。
4.根据权利要求3所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，十字形固支梁由四个单根固支梁以立柱为中心沿周向水平均匀分布构成。
5.根据权利要求3所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，与第一永磁铁相对应的两个线圈分别固设于支架的顶板和底板上。
6.根据权利要求2所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，第二层电压电磁复合振动俘能支路包括方框形固支梁，方框形固支梁每一边的内外两侧均布置有第二永磁铁，方框形固支梁每一边的两端均与支架铰接，方框形固支梁每一边布置的两个第二永磁铁的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈，方框形固支梁每一边的内外两侧均设有压电片。
7.根据权利要求6所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，压电片设置于相应同侧第二永磁铁的下方，与第二永磁铁对应的两个线圈分别固设于立柱和支架上。
8.根据权利要求6所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，方框形固支梁由四个竖直侧向布置的单根固支梁呈正方形或长方形分布构成。
9.根据权利要求3或6所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，压电片为PZT压电陶瓷片，两个成对布置的线圈中，两个线圈均为平面线圈或螺线管线圈，或一个线圈为平面线圈，另一端线圈为螺线管线圈。
10.根据权利要求1所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，其特征在于，所述的多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置还包括控制系统，控制系统包括计算机、单片机处理电路、数据采集电路和信号控制电路，计算机与单片机处理电路连接，数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，单片机处理电路还连接有电源电路，数据采集电路分别与各层电压电磁复合振动俘能支路连接。
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