CN111293924A - 压电式任意方向振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式任意方向振动能量采集器，其结构为：两个型号相同的球形永磁体相互吸引且接触，一个固定于基座侧平面上，另一个被固定球形永磁铁所吸引，受自身重力、磁吸引力的共同作用在空间产生一个稳定点。一个球形永磁铁表面铺设有集成PVDF压电薄膜阵列，并且两个球形永磁铁的球心在稳态下不在同一水平面上。两球相对滚动以任意方向反复碾压压电材料，进而输出电能，实现任意方向振动能量的采集。本发明克服了传统压电式振动能量采集方向的单一性缺陷，可实现空间任意方向振动能量的采集，不仅结构简单，而且利用压电材料d33工作模式，在具有较好的振动环境适用性的同时也兼顾较高的能量采集效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源采集技术，具体涉及一种新型的压电式多方向振动能量采集装置。
背景技术
近年来，低功耗电子学以及物联网设备等无线传感技术的发展十分迅猛，持续且便捷的能源需求也日益增加。传统燃料电池由于其尺寸、寿命及环保等问题受到一定的限制。另一方面，日渐严重的环境污染问题迫使人们开始寻找新的可代替的绿色清洁能源。
振动能是环境中最普遍、最容易获得的能源之一，例如生物运动、机械运转以及由其他形式能量转换而来的风致振动、水致振动等。获取振动能量为远程无线传感器、充电电池和电子设备提供电能，成为新能源电源开发研究的一大热点。振动能量采集器的工作方式主要有：电磁式、静电式、压电式和磁致伸缩式等。其中压电式具有较高的能量密度，并且结构简单，易于集成。
压电式振动能量采集器利用压电材料的正压电效应实现机械能向电能的转换。根据材料变形方式不同，压电材料的能量转换系数也不同。若外力的作用方向和材料的极化方向相同，压电系数称为d33；若外力作用方向正交于压电材料极化方向，压电系数为d31。通常情况压电系数d33约为d31的两倍，即相同外力下，极化方向受到拉压变形的输出效果要比弯曲变形的输出效果强。
根据材料的不同，压电片也有不同的种类，如PZT压电陶瓷、ZnO压电晶体和PVDF有机压电薄膜等。其中PVDF压电薄膜输出电能的大小与其材料形变速率正相关。
振动能量采集器具备上述诸多优点，但遗憾的是，目前大多数采集器只能针对单一或有限个固定方向的振动能量进行采集。众所周知，自然环境中的振动存在于任意方向，这就使得传统采集器的适用性受到了一定的限制。而本发明可以克服这一缺陷，同时压电材料主要采用d33工作模式，显著增强了振动能量采集的效率。
发明内容
为了克服压电式振动能量采集器对采集方向限定的缺陷，本发明提供了一种可以适用于任意方向振动的能量进行采集的装置，以增强采集器对振动环境的适用性，提高能量采集效率。
本发明的原理及技术方案如下：压电式任意方向振动能量采集器包括：基板、两个球形永磁铁、集成PVDF压电薄膜阵列、半球形防护罩、以及储能元件等。其技术方案为：在基板的竖直表面上加工有球面凹坑，球形永磁铁A与球形永磁铁B异磁极相吸悬挂，其中球形永磁铁A的一端固定于在基板的球面凹坑内，另一端吸引球形永磁铁B并使其悬挂，球形永磁铁B受自身重力、磁吸引力的共同作用在空间产生一个稳定点。在球形永磁铁A与球形永磁铁B接触球面的区域铺设有集成PVDF压电薄膜阵列，集成PVDF压电薄膜阵列的导线从基板的两个小孔穿出接至储能元件。以稳定点为中心两球面相对滚动并以任意方向碾压集成PVDF压电薄膜阵列，实现任意方向振动能量的采集。
压电式任意方向振动能量采集器工作的原理是，一个球形永磁铁被固定在基板的竖直面上，且两极的连线与面垂直；另一个相同型号的球形永磁铁与固定球形永磁铁异极相吸且“悬吊”，由于重力、磁吸引力以及支持力的共同作用，两球在空间上形成一个稳定接触点。其中固定球形磁铁的顶端区域(两球相对运动接触的部分)铺设压电薄膜阵列，当球形磁铁受到外界振动激励时，两球就会相对滚动反复碾压压电材料，压电薄膜阵列因压电效应而产生电荷并由导线传送至储能元件。理论上，除两球形磁铁连线方向外的任意方向激励均能导致两球形磁铁相对滚动；倘若激励方向只来自两球心连线方向，压电体所受正压力随时间的波动也能触发PVDF的d33模式输出电能。其中一个重要的技术特征是，两个球形永磁铁的球心在稳态下不在同一水平面上，外侧球形永磁铁的球心低于内侧球形永磁铁的球心。此设计旨在提高能量采集器的采集性能和对振动环境的适用性。由于实际工业环境中的振动大部分参照笛卡尔坐标系被投影在三个正交方向进行分析，为了鼓励两球相对滚动产生较大电压输出，而避免振动只集中在两球心连线方向，两球心连线不垂直于基座与振动台面的预安装平面。因此，当两球受到任意方向的激励时，都会产生两磁性球体的相对运动，产生电能的输出。
本发明的特点和产生的有益效果在于：(1)利用两球形磁铁的吸引力及重力使两球形永磁铁在稳定态时中心点连线向下倾斜，在受到任意方向的激励时致使两磁性球体的相对滚动产生电能，实现任意方向振动能量的采集；(2)PVDF压电薄膜以d33工作模式工作，双球面点接触碾压时变形速率大，电能输出效果强；(3)PVDF压电薄膜采用球面阵列铺设，在一个振动周期内会有多个压电薄膜产生形变，采集性能得到了提升。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为两个相互作用的球形永磁铁磁极分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
压电式任意方向振动能量采集器，其具体结构为(如图1)：在基板1的竖直表面上加工有球面凹坑，球形永磁铁A与球形永磁铁B异磁极相吸悬挂，其中球形永磁铁A的一端位于在基板的球面凹坑内，另一端吸引球形永磁铁B，球形永磁铁B受到自身重力、磁吸引力与支持力的共同作用在空间产生一个稳定点。在球形永磁铁A与球形永磁铁B接触球面的区域铺设有集成PVDF压电薄膜阵列2，集成PVDF压电薄膜阵列的导线3从基板的两个小孔穿出接至储能元件4。以稳定点为中心两球面相对滚动并以任意方向碾压集成PVDF压电薄膜阵列，实现任意方向振动能量的采集。
如图2，球形永磁铁B与固定的球形永磁铁A异磁极相吸悬挂且保持球面点接触，两个球形永磁铁的球心在稳态下不在同一水平线上，球形永磁铁B的球心低于球形永磁铁A的球心。
球形永磁铁A的两磁极连线水平设置，垂直穿过基板固定在球面凹坑中。
集成PVDF压电薄膜阵列的形状为与所述球形永磁铁A半径相同的弧度铺设于局部球面，铺设的面积大于两个球形永磁铁相互滚动接触的区域。
在两个球形永磁铁活动空间范围设有半球形防护罩5，其作用是防止外部环境振动过大导致球形永磁铁B脱离吸引力作用飞出，一旦两球分离，也能保证球形永磁铁B处于吸引力的作用范围内，能够及时恢复正常工作姿态。半球形防护罩内表面的半径弧度根据系统装置的实际状况，通过磁力计算得出。两个球形永磁铁的材料以及型号相同，位置可以互换。
作为实施例，球形永磁铁A被固定在非磁性材料基板上，为了加强固定效果，预先在基板固定点加工出与球形永磁铁相同半径弧度的球面凹坑，然后再将球形磁铁粘接于此处。通过静力学计算可得到双球系统的稳定接触点，以此点为中心铺设集成的球面PVDF压电薄膜阵列，其内部已集成连接导线。
在基板上球形永磁铁A被固定位置的两侧设有两个小孔，两个球形永磁铁滚动挤压压电材料产生的电能，通过导线由这两个小孔引出接至储能器。
仅作为实施例，本发明中各组成部分的材料与尺寸参数如下：
两球形永磁铁材料为铁氧体，型号为Y30BH，表面刚度及硬度较高，直径均为30mm，根据实际需要两球的尺寸可以变更。
压电薄膜材料为有机PVDF，厚度为30μm，d33压电常数为43.94pc/N·cm2，阵列排布，表面塑封。整体集成尺寸为半径15mm的球面，具体铺设面积视激励强度导致的两球相对滚动范围而定，理论上以稳定接触点为中心，大于两个球形永磁铁相互滚动接触的区域即可。
电极采用铆接方式。
基板与半球形防护罩的材料均为有机玻璃，基板尺寸为100mm×100mm×10mm，防护罩内表面半径为70mm，厚5mm。球形磁铁A固定在基板的正中心，防护罩的固定以球形磁铁A与基板的接触点为圆心。本实施例半球形防护罩的尺寸参数，是通过计算移动球形永磁铁在运动范围所受的合力得到，原则是确保两个球形磁铁碾压接触时，始终在相互吸引力的范围内运动，致使系统会恢复至正常工作状态。
上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求保护的范围情况下，可以改变各组成部分的材料和尺寸参数。
Claims (6)
1.压电式任意方向振动能量采集器，包括：基板、两个球形永磁铁、集成PVDF压电薄膜阵列、半球形防护罩、以及储能元件，其特征在于：在基板(1)的竖直表面上加工有球面凹坑，球形永磁铁A与球形永磁铁B异磁极相吸悬挂，其中球形永磁铁A的一端位于在基板的球面凹坑内，另一端吸引球形永磁铁B，球形永磁铁B受到自身重力、磁吸引力的共同作用在空间产生一个稳定点，在球形永磁铁A与球形永磁铁B接触球面的区域铺设有集成PVDF压电薄膜阵列(2)，集成PVDF压电薄膜阵列的导线(3)从基板的两个小孔穿出接至储能元件(4)，以稳定点为中心两球面相对滚动并以任意方向碾压集成PVDF压电薄膜阵列，实现任意方向振动能量的采集。
2.按照权利要求1所述的压电式任意方向振动能量采集器，其特征在于：所述的球形永磁铁B与固定的球形永磁铁A异磁极相吸悬挂两表面接触，两个球形永磁铁的球心在稳态下不在同一水平线上，球形永磁铁B的球心低于球形永磁铁A的球心。
3.按照权利要求1所述的压电式任意方向振动能量采集器，其特征在于：所述球形永磁铁A的两磁极连线与球体水平设置，垂直穿过所述基板固定在球面凹坑中。
4.按照权利要求1所述的压电式任意方向振动能量采集器，其特征在于：所述集成PVDF压电薄膜阵列的形状为与所述球形永磁铁A半径相同的弧度铺设于局部球面，铺设的面积大于两个球形永磁铁相互滚动接触的区域。
5.按照权利要求1所述的压电式任意方向振动能量采集器，其特征在于：在所述两个球形永磁铁活动空间范围设有半球形防护罩(5)，其作用是防止外部环境振动过大导致球形永磁铁B脱离吸引力作用飞出，保证球形永磁铁B处于吸引力的作用范围内，半球形防护罩内表面的半径弧度通过磁力计算得出。
6.按照权利要求1所述的压电式任意方向振动能量采集器，其特征在于：所述两个球形永磁铁的材料以及型号相同，位置可以互换。
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