CN111181434B - 一种电磁与静电组合多源晃动发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁与静电组合多源晃动发电装置，其包括滑块，滑块的两端分别设置有第一固定块和第二固定块，第一固定块和第二固定块可活动的与滑块连接；滑块的两端分别设置有第一电极板，第一固定块和第二固定块上均设置有相互叠加的第二电极板和第三电极板；第三电极板之间电连接负载。本发明利用电磁感应与静电原理相互匹配，提供多种能量收集来源，实现不同晃动尺度下能量收集。静电式发电与电磁发电的结合，使得该系统在不同晃动激励幅度下都能够实现较好地发电效果。球铰连接的空心柱状的使用，实现了多个方向的晃动能量收集，实现多向发电。

Description

一种电磁与静电组合多源晃动发电装置

技术领域

本发明涉及振动发电技术领域，具体涉及一种电磁与静电组合多源晃动发电装置。

背景技术

随着科技发展与社会进步，传感以及监测技术的进步对人类的生产生活模式产生了巨大的影响。但这些传感监控设备电能供应问题也限制这些设备在一些偏远或难以到达环境中的应用。传统的电池解决方案不足在于需要定期更换，且存在一定的环境污染隐患，因此对新型能源的开发提出了需求。目前水能、太阳能及风能开发利用技术较为成熟，并且在实际生产中得到了应用。但对振动、晃动等形式的能量开发利用技术目前还不成熟，主要原因在于这些形式的能量规模较小，无法工业化开发利用。但这些形式的能量具备满足一些高效传感设备用电需求的潜力，因此振动、晃动等能源的开发利用可以补充完善现有的传感监测设备的能源供应体系。

能量收集方案大致可以分为电磁式、压电式以及静电式三类。其中电磁式转化效率高，尺寸较大，多用于宏观尺度能量收集；压电式装置较为敏感，在微弱的激励下即可产生较大的电压输出，但压电材料通常内阻较大，能量转化效率不高，主要用于制造传感器材；静电式能量收集装置由于材料制备较为困难，多用于微纳结构。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种动态响应频带宽、对晃动变化适应能力强的电磁与静电组合多源晃动发电装置。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种电磁与静电组合多源晃动发电装置，其包括滑块，滑块的两端分别设置有第一固定块和第二固定块，第一固定块和第二固定块可活动的与滑块连接；滑块的两端分别设置有第一电极板，第一固定块和第二固定块上均设置有相互叠加的第二电极板和第三电极板，第一电极板与第二电极板的电极相反，第一电极板与第三电极板的电极相同，且第一电极板与第二电极板的相对设置；第三电极板之间电连接负载。

本方案在使用时，第一固定块和第二固定块固定在可产生振动的装置上，当振动产生时，滑块相对于第一固定块和第二固定块左右晃动，进而带动带电电极的往复运动，出现反复的接触和分离，不断地产生电动势，实现电荷的定向移动，实现动能静电发电，给负载供电；在小幅度晃动下，滑块小幅度的运动即可实现静电发电具有较好的发电效果。

进一步地，滑块的下端可摆动设置有空心柱，空心柱内设置有动磁体与定磁体，动磁体滑动设置在空心柱内，定磁体固定在空心柱内，且动磁体与定磁体同极相对设置；空心柱外套设有线圈，线圈设置在动磁体与定磁体之间，线圈与负载电连接。

本方案的空心柱在摆动时，动磁体在内腔往复运动，并将引起线圈内部磁通量发生变化，进而在线圈两端产生电动势，负载通过导线与线圈两端相连，形成闭合回路，实现电能输出。在大幅度晃动下，空心柱状摆将会发生大幅度的摆动，将导致其空腔内动磁体沿腔壁剧烈运动，通过引起线圈内磁通的不断变化而实现电磁发电。

进一步地，滑块的下端通过球形铰与空心柱的上端连接。

本方案的球形铰使得空心柱能实现360度摆动，能最大程度利用晃动发电。

进一步地，第一固定块和第二固定块上均设置有滑杆，滑杆与固定在滑块上的直线轴承连接。

滑动块通过直线轴承与滑杆相连接，以保证滑块左右移动时具有较小的阻力，减少能量损耗，确保发电效果。

进一步地，第一电极板安装在U形的金属导电块两端，金属导电块与滑块通过绝缘胶连接。

金属导电块的作用是连接第一电极板，确保两块可动第一电极板之间电势始终相同，并且进行绝缘处理，防止电荷泄露。

进一步地，第一固定块和第二固定块与滑块之间均设置有刚度可调弹簧，且刚度可调弹簧固定在第一固定块、第二固定块和滑块上设置的固定柱上。

本方案的刚度可调弹簧提供滑块在左右滑动过程中的恢复力，增加滑块左右往复运动的能量，增强了系统的可调控特性，使得该系统在不同晃动激励下能够保持较高的发电效率。

进一步地，负载为内阻可调负载。

本方案利用外接可变负载调节线圈内电流大小，实现线圈与动磁体与定磁体间相互作用力的调控，进而控制整个系统的动力响应，增强了该系统对不同强度的晃动适应能力。

本发明的有益效果为：本发明利用电磁感应与静电原理相互匹配，提供多种能量收集来源，实现不同晃动尺度下能量收集。在小幅度晃动下，滑块小幅度的运动即可实现静电发电；在大幅度晃动下，空心柱将会发生大幅度的摆动，将导致其空腔内可动磁体沿腔壁剧烈运动，通过引起线圈内磁通的不断变化而实现电磁发电。静电式发电与电磁发电的结合，使得该系统在不同晃动激励幅度下都能够实现较好地发电效果。

利用磁斥力以及摆大尺度摆动过程中强非线性特性，拓宽了系统的响应频带，使得该系统能够在更宽频带俘获能量；可调负载的使用同样也增强了该发电系统对不同级别晃动的适应能力；静电发电适应小尺度下晃动发电，电磁发电适应于较大尺度的晃动发电，静电与电磁发电原理的组合增强了本发电系统在不同尺度晃动下发电的能力。

附图说明

图1为电磁与静电组合多源晃动发电装置的结构示意图。

图2为电磁发电原理图。

图3为静电发电原理图。

其中：1、负载，2、第一固定块，3、第二固定块，4、第二电极板，5、第一电极板，6、金属导电块，7、滑杆，8、刚度可调弹簧，9、球形铰，10、空心柱，11、动磁体，12、线圈，13、定磁体，14、第三电极板，15、滑块。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，电磁与静电组合多源晃动发电装置包括滑块15，滑块15的两端分别设置有第一固定块2和第二固定块3，第一固定块2和第二固定块3可活动的与滑块15连接；滑块15的两端分别固定有第一电极板5，第一固定块2和第二固定块3上均设置有相互叠加的第二电极板4和第三电极板14，第一电极板5与第二电极板4的电极相反，第一电极板5与第三电极板14的电极相同，且第一电极板5与第二电极板4的相对设置，确保在滑块15移动时，第一电极板5与第二电极板4能相互接触；第三电极板14之间电连接负载1。

本方案在使用时，第一固定块2和第二固定块3固定在可产生振动的装置上，当振动产生时，滑块15相对于第一固定块2和第二固定块3左右晃动，进而带动带点电极的往复运动，出现反复的接触和分离，不断地产生电动势，实现电荷的定向移动，实现动能静电发电，给负载1供电；在小幅度晃动下，滑块15小幅度的运动即可实现静电发电具有较好的发电效果。

如图3所示，发电原理是利用不同电极材料对电荷的束缚能力的差异，借助可动电极的往复运动实现电荷的定向移动，进而实现动能静电发电，静电发电可视为一个周期往复过程，这个过程大致可以分为四个状态。第①阶段由于没有充电过程，因此在两个固定的第一金属极板与第二金属极板之间不存在电动势。

状态②，当第一金属极板向右移动过程中，它将与左侧第二金属极板电介质层(例如，PTFE)分离，此时将会在两固定的第二金属极板和第三金属极板间产生电动势。在电动势作用下，两固定的第二金属极板和第三金属极板间将通过导线发生电荷定向移动(也就是产生电流)，以保证两极板间电势均衡。

状态③，当第一金属极板与左侧固定第二金属极板接触完成后，两固定极板间电动势将消失。状态④，当第一金属极板与右侧第二金属极板电解质层分离，并向左移动过程中将在两固定金属极板间产生与状态②方向相反的电动势。状态①、②、③、④之间不断循环往复，也就能够持续不断地将动能转化为电能。

本方案的滑块15的下端设置有可摆动空心柱10，空心柱10内设置有动磁体11与定磁体13，动磁体11滑动设置在空心柱10内，定磁体13固定在空心柱10内，且动磁体11与定磁体13同极相对设置；空心柱10外套设有线圈12，线圈12设置在动磁体11与定磁体13之间，线圈12与负载1电连接。

如图2所示，本方案的空心柱10在摆动时，动磁体11在内腔往复运动，并将会引起线圈12内部磁通量发生变化，进而在线圈12两端产生电动势，负载1通过导线与线圈12两端相连，形成闭合回路，实现电能输出。在大幅度晃动下，空心柱10状摆将会发生大幅度的摆动，将导致其空腔内动磁体11沿腔壁剧烈运动，通过引起线圈12内磁通的不断变化而实现电磁发电。

滑块15的下端通过球形铰9与空心柱10的上端连接。本方案的球形铰9使得空心柱10能实现360度摆动，能最大程度利用晃动发电。第一固定块2和第二固定块3上均设置有滑杆7，滑杆7与固定在滑块15内的直线轴承连接。滑动块通过直线轴承与滑杆7相连接，以保证滑块15左右移动时具有较小的阻力，减少能量损耗，确保发电效果。

第一电极板5安装在U形的金属导电块6两端，金属导电块6与滑块15通过绝缘胶连接。金属导电块6的作用是连接第一电极板5，确保两块可动第一电极板5之间电势始终相同，并且进行绝缘处理，防止电荷泄露。

第一固定块2和第二固定块3与滑块15之间均设置有刚度可调弹簧8，且刚度可调弹簧8固定在第一固定块2、第二固定块3和滑块15上设置的固定柱上。本方案的刚度可调弹簧8提供滑块15在左右滑动过程中的恢复力，增加滑块15左右往复运动的能量，增强了系统的可调控特性，使得该系统在不同晃动激励下能够保持较高的发电效率。

负载1为内阻可调负载1。本方案利用外接可变负载1调节线圈12内电流大小，实现线圈12与动磁体11与定磁体13间相互作用力的调控，进而控制整个系统的动力响应，增强了该系统对不同强度的晃动适应能力。

本发明利用电磁感应与静电原理相互匹配，提供多种能量收集来源，实现不同晃动尺度下能量收集。在小幅度晃动下，滑块15小幅度的运动即可实现静电发电；在大幅度晃动下，空心柱10将会发生大幅度的摆动，将导致其空腔内可动磁体11沿腔壁剧烈运动，通过引起线圈12内磁通的不断变化而实现电磁发电。静电式发电与电磁发电的结合，使得该系统在不同晃动激励幅度下都能够实现较好地发电效果。

利用磁斥力以及摆大尺度摆动过程中强非线性特性，拓宽了系统的响应频带，使得该系统能够在更宽频带俘获能量；可调负载1的使用同样也增强了该发电系统对不同级别晃动的适应能力；静电发电适应小尺度下晃动发电，电磁发电适应于较大尺度的晃动发电，静电与电磁发电原理的组合增强了本发电系统在不同尺度晃动下发电的能力。

Claims (1)

1.一种电磁与静电组合多源晃动发电装置，其特征在于，包括滑块(15)，所述滑块(15)的两端分别设置有第一固定块(2)和第二固定块(3)，所述第一固定块(2)和第二固定块(3)可活动的与滑块(15)连接；所述滑块(15)的两端分别设置有第一电极板(5)，所述第一固定块(2)和第二固定块(3)上均设置有相互叠加的第二电极板(4)和第三电极板(14)，所述第一电极板(5)与第二电极板(4)的电极相反，所述第一电极板(5)与第三电极板(14)的电极相同，且第一电极板(5)与第二电极板(4)相对设置；所述第三电极板(14)之间电连接负载(1)；

所述第一固定块(2)和第二固定块(3)与滑块(15)之间均设置有刚度可调弹簧(8)，且刚度可调弹簧(8)固定在第一固定块(2)、第二固定块(3)和滑块(15)上设置的固定柱上；

所述第一固定块(2)和第二固定块(3)上均设置有滑杆(7)，所述滑杆(7)与固定在滑块(15)上的直线轴承连接；

所述滑块(15)的下端可摆动设置有空心柱(10)，所述空心柱(10)内设置有动磁体(11)与定磁体(13)，所述动磁体(11)滑动设置在空心柱(10)内，所述定磁体(13)固定在空心柱(10)内，且动磁体(11)与定磁体(13)同极相对设置；所述空心柱(10)外套设有线圈(12)，所述线圈(12)设置在动磁体(11)与定磁体(13)之间，所述线圈(12)与负载(1)电连接；

所述滑块(15)的下端通过球形铰(9)与空心柱(10)的上端连接；

所述第一电极板(5)安装在U形的金属导电块(6)两端，所述金属导电块(6)与滑块(15)通过绝缘胶连接；

所述负载(1)为内阻可调负载。

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