CN111355355B - 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置 - Google Patents

一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111355355B
CN111355355B CN202010263081.XA CN202010263081A CN111355355B CN 111355355 B CN111355355 B CN 111355355B CN 202010263081 A CN202010263081 A CN 202010263081A CN 111355355 B CN111355355 B CN 111355355B
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
composite beam
energy harvesting
permanent magnet
electromagnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010263081.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111355355A (zh
Inventor
江兵
朱靖宇
谈龙照
陈岩
俞子豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202010263081.XA priority Critical patent/CN111355355B/zh
Publication of CN111355355A publication Critical patent/CN111355355A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111355355B publication Critical patent/CN111355355B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation

Abstract

本发明公开了一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，采用的复合梁获得更大的应力分布和较大的应力值采用压电薄膜作为复合梁的压电材料可以承受更大的形变从而产生更多的电能；复合梁末端用固定有一圆柱形永磁铁，其中永磁铁可以被当做质量块，可以降低复合梁的谐振频率，使其对低频环境的适应性更强；永磁铁又可被当做电磁俘能振子，和线圈一起产生电磁俘能效果；压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。

Description

一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置
技术领域
本发明涉及能量收集领域，特别涉及一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置。
背景技术
近几年，便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络在民用、军事、医疗和工业生产中得到了广泛应用。目前大多数的微电子产品都是利用化学电池提供电能。但由于传统电池存在能量密度小、需要定期更换或充电，以及污染环境等问题，难以满足微电子产品高速发展的需求。在过去的几年，俘获环境中的能源为微电子产品供能成为一种很有前景的技术，并引起了研究者的强烈关注。在我们生活环境的周围，存在着各种各样的废弃的能量，例如太阳能、压力能、振动能等。
中国专利CN201711122064.9中公开的一种二维压电电磁混合式俘能器和中国专利CN201711121543.9中公开的一种两自由度压电电磁混合式俘能器为了感应低频震动，用弹簧来产生弹性放大从而使得应用广泛。
中国专利201711394522.4中公开的一种双稳态压电电磁复合能量收集结构中，复合梁形变属于悬臂梁激振产生衰减形变，使得带宽变大。
上述能源通过震动进行转化而成，人每天需要进行运动，在运动过程中，会产生震动，因此，人在运动过程中的震动也能够转化成能源，但是上述专利的设备多运用于机械上或者设备体积较大，无法适用于人体。本申请提供了用于人体的可穿戴压电电磁复合俘能震动装置。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，可以用于人体穿戴并收集人体运动时产生震动的能量。
技术方案：本发明所述的一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，包括
基座，基座一面用于穿戴至人体上，另一面的两侧对应设置有一对支撑板，支撑板之间设置有导轨，导轨之间设置有滑片，滑片可沿导轨滑动；
压电结构的复合梁，复合梁可弹性伸缩，复合梁设置导轨之间的基座上方，复合梁一端与一个支撑板固定连接，另一端与滑片一端固定连接；
另一个支撑板上设置有感应线圈，感应线圈位于导轨之间，感应线圈内设置有弹性件，弹性件的一端和支撑板固定连接，另一端固定有永磁体，永磁体和滑片的另一端固定连接，永磁体的半径小于感应线圈的半径，人在运动过程中，永磁体随着人体的摆动沿导轨上下运动并切割感应线圈。
进一步的，复合梁包括金属基底和分别粘合在金属基底上下表面的压电薄膜，压电薄膜通过导电胶和金属基底固定，压电薄膜之间可以采用串联或者并联的方式。
进一步的，复合梁是直线板状结构。
进一步的，弹性件为弹簧。
进一步的，基座一面设置有用于保护人体的软体材料和用于人体穿戴的弹性绑带。
有益效果：本发明与现有技术相比：采用的复合梁获得更大的应力分布和较大的应力值采用压电薄膜作为复合梁的压电材料可以承受更大的形变从而产生更多的电能；复合梁末端用固定有一圆柱形永磁铁，其中永磁铁可以被当做质量块，可以降低复合梁的谐振频率，使其对低频环境的适应性更强；永磁铁又可被当做电磁俘能振子，和线圈一起产生电磁俘能效果；压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。
附图说明
图1是一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置结构图；
图2是一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置的压电仿真数据图；
图3是一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置的线圈仿真数据图。
具体实施方式
如图1，一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，包括基座1一面用于穿戴至人体上，另一面的两侧对应设置有一对支撑板2，支撑板2之间设置有导轨3，导轨3之间设置有滑片4，滑片4可沿导轨3滑动；
压电结构的复合梁5，复合梁5可弹性伸缩，复合梁5设置导轨3之间的基座1上方，复合梁5一端与一个支撑板2固定连接，另一端与滑片4一端固定连接；
另一个支撑板2上设置有感应线圈6，感应线圈6位于导轨3之间，感应线圈6内设置有弹性件7，弹性件7的一端和支撑板2固定连接，另一端固定有永磁体8，弹性件7可以为弹簧或者其他具有弹性的部件，永磁体8和滑片4的另一端固定连接，永磁体8的半径小于感应线圈6的半径，人在运动过程中，永磁体8随着人体的摆动沿导轨3上下运动并切割感应线圈6。
复合梁5包括金属基底51和分别粘合在金属基底51上下表面的压电薄膜52，压电薄膜52通过导电胶和金属基底51固定，压电薄膜52之间可以采用串联或者并联的方式。
复合梁5是直线板状结构。
基座1一面设置有用于保护人体的软体材料和用于人体穿戴的弹性绑带9。
振动能通过基座1均匀传递到复合梁5上，避免复合梁5直接接触外界产生形变，同时可以更好的利用环境振动能量，提高能量利用率；复合梁5运动随着底部永磁铁运动而运动，产生的形变较传统悬臂梁激振式d31模式更大，从而产生更多的电能；用导电胶把压电薄膜52分别粘在复合梁5的上下表面，上下两个压电材料可以采用串联和并联结构。若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。
此外在装置振动时吸收动能产生运动带动复合梁5运动，永磁体8切割感应线圈6配合弹簧使复合梁5运动位移较大，对复合梁5可以产生较传统振动方式d31模式更大的形变，从而产生更多的电能；当永磁铁振动时，感应线圈6会产生感应电动势，达到电磁俘能的效果和压电俘能结合，能弥补单一俘能方式的不足。
该俘能装置通过绑带可佩戴在人身体主要在腿部和手部，人在运动，腿部抬起和手臂弯曲挥动时，会对俘能装置产生惯性衰减振动，还可根据实际情况穿戴多组增强俘能效果，拓宽俘能环境。
如图在攀登时等运动，手臂弯曲挥动时，会对俘能装置产生惯性衰减振动，还可根据实际情况穿戴多组增强俘能效果，拓宽俘能环境。
如图2所示，一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置压电梁产生电压和功率Comsol仿真。
图3所示，一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置永磁铁运动产生感应电动势在MAXWELL中仿真结果。

Claims (5)

1.一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，其特征在于包括
基座(1)，基座(1)一面用于穿戴至人体上，另一面的两侧对应设置有一对支撑板(2)，支撑板(2)之间设置有导轨(3)，导轨(3)之间设置有滑片(4)，滑片(4)可沿导轨(3)滑动；
压电结构的复合梁(5)，复合梁(5)可弹性伸缩，复合梁(5)设置导轨(3)之间的基座(1)上方，复合梁(5)一端与一个支撑板(2)固定连接，另一端与滑片(4)一端固定连接；
另一个支撑板(2)上设置有感应线圈(6)，感应线圈(6)位于导轨(3)之间，感应线圈(6)内设置有弹性件(7)，弹性件(7)的一端和支撑板(2)固定连接，另一端固定有永磁体(8)，永磁体(8)和滑片(4)的另一端固定连接，永磁体(8)的半径小于感应线圈(6)的半径，人在运动过程中，永磁体(8)随着人体的摆动沿导轨(3)上下运动并切割感应线圈(6)。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，其特征在于复合梁(5)包括金属基底(51)和分别粘合在金属基底(51)上下表面的压电薄膜(52)，压电薄膜(52)通过导电胶和金属基底(51)固定，压电薄膜(52)之间可以采用串联或者并联的方式。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，其特征在于复合梁(5)为板状结构。
4.根据权利要求1所述的一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，其特征在于弹性件(7)为弹簧。
5.根据权利要求1所述的一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置，其特征在于基座(1)一面设置有用于保护人体的软体材料和用于人体穿戴的弹性绑带(9)。
CN202010263081.XA 2020-04-07 2020-04-07 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置 Active CN111355355B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010263081.XA CN111355355B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010263081.XA CN111355355B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111355355A CN111355355A (zh) 2020-06-30
CN111355355B true CN111355355B (zh) 2021-04-27

Family

ID=71194771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010263081.XA Active CN111355355B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111355355B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112234860B (zh) * 2020-09-15 2022-03-04 西安交通大学 一种电磁压电复合式多轴振动和摆动能量俘获装置
CN112532107B (zh) * 2020-12-07 2022-02-22 上海大学 基于压电叠堆与调频效应的人体穿戴式能量收集器
CN116161213B (zh) * 2023-04-24 2023-07-21 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种基于压电俘能模组的机翼颤振抑制装置及抑制方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201018389Y (zh) * 2006-12-12 2008-02-06 韩学志 一种振动发电机
WO2009039293A1 (en) * 2007-09-18 2009-03-26 University Of Florida Research Foundation, Inc. Dul-mode piezoelectric/magnetic vibrational energy harvester
CN102185523A (zh) * 2011-05-30 2011-09-14 华北电力大学 微型复合式振动发电机
CN103199739B (zh) * 2013-03-12 2015-10-28 张平 海浪及风力发电装置
CN203313087U (zh) * 2013-03-12 2013-11-27 张平 海浪及风力发电设备
CN104821743A (zh) * 2015-04-22 2015-08-05 北京工业大学 一种多模式振动发电装置
CN104836478B (zh) * 2015-05-19 2017-06-20 北京理工大学 一种压电‑电磁复合式低频宽带俘能器
CN105207524B (zh) * 2015-11-02 2017-11-28 张文明 半主动调频振动能量俘获器
CN205754061U (zh) * 2016-02-03 2016-11-30 浙江大学 一种利用公共交通工具内人群荷载的发电装置
CN106368914B (zh) * 2016-10-10 2023-05-05 黄锦锋 人体步态能量转化发电装置
CN106655886A (zh) * 2016-12-21 2017-05-10 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种双稳态双模式的振动能量采集器
CN106982006A (zh) * 2017-05-08 2017-07-25 南京邮电大学 一种基于导磁材料的压电‑电磁复合式振动能量俘获装置
CN107147330A (zh) * 2017-06-21 2017-09-08 北京机械设备研究所 一种非线性压电‑电磁复合式宽频带俘能器
CN107508495A (zh) * 2017-08-28 2017-12-22 北京工业大学 一种压电电磁式振动发电装置
CN209151027U (zh) * 2018-11-01 2019-07-23 郑州大学 一种新型压电振动能量采集器
CN109831121A (zh) * 2019-04-16 2019-05-31 李福军 磁斥压电及磁通变振动高效复合发电装置
CN110212810B (zh) * 2019-07-10 2020-07-07 安徽理工大学 一种无级连续调谐压电低幅振动俘能器
CN110445417B (zh) * 2019-08-06 2021-11-23 南京邮电大学 一种低频宽频带震动俘能装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111355355A (zh) 2020-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111355355B (zh) 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置
Iqbal et al. Vibration‐based piezoelectric, electromagnetic, and hybrid energy harvesters for microsystems applications: A contributed review
Ahmed et al. A review on energy harvesting approaches for renewable energies from ambient vibrations and acoustic waves using piezoelectricity
CN110445417B (zh) 一种低频宽频带震动俘能装置
Wei et al. A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization
EP2573931B1 (en) Power generation element and power generation apparatus provided with power generation element
CN202385032U (zh) 一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机
El-Sayed et al. A survey on recent energy harvesting mechanisms
CN108551273A (zh) 一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器
CN102412757A (zh) 一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机
CN102170246B (zh) 带柔性梁结构的振动式微型风力发电机
Minami et al. Development of enhanced piezoelectric energy harvester induced by human motion
Wang et al. A low-frequency, broadband and tri-hybrid energy harvester with septuple-stable nonlinearity-enhanced mechanical frequency up-conversion mechanism for powering portable electronics
Bao et al. Hand-held piezoelectric energy harvesting structure: Design, dynamic analysis, and experimental validation
Du et al. Recent advances in mechanical vibration energy harvesters based on triboelectric nanogenerators
Tang et al. Low-frequency vibration energy harvesting: a comprehensive review of frequency up-conversion approaches
US20150028722A1 (en) Piezoelectric energy recovery system
Wang et al. A speed-amplified tri-stable piezoelectric-electromagnetic-triboelectric hybrid energy harvester for low-frequency applications
CN105811805A (zh) 一种基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机
Fan et al. Capturing energy through a shoe-mounted piezoelectric energy harvester
CN109450293A (zh) 一种面向纵横双向激励的非线性压电发电装置
CN210075112U (zh) 一种层状磁电复合材料俘能器
Yunas et al. Mechanical charaterization of mems vibration membrane with planar spring design for energy harvestER
CN202385033U (zh) 一种单晶片悬臂式压电振动发电机
CN103762889A (zh) 基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant