CN111525769A - 一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁钟摆式的电磁‑压电复合能量收集器。主要包括外部壳体，壳体内部的磁铁，放在壳体底部前后侧的线圈，位于壳体左右内侧的双晶压电片，后端采集存储控制模块。位于壳体内部的磁铁接收机械振动，外部的激励会引起封闭壳内磁铁的摆动，从而对壳体内侧的双晶压电片产生压力，进而将机械能转化为电能。该复合能量收集器使用磁钟摆式结构，以机械振动致磁铁摆动引起电磁效应和压电效应为检测原理，其能量收集频带宽、灵敏度高、输出功率大，适合于无源便携智能电子设备等领域。解决了传统的复合能量收集器长时间工作机械性能差，灵敏度低，频率范围窄，体积大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合能量收集器技术领域，具体为一种基于磁钟摆式的电磁-压电复合能量收集器，作为宽频带、高灵敏度的复合能量收集器。
背景技术
机械能存在于人们的日常生活中，如：人体运动、机械振动等。迄今为止，振动能量收集器通常基于四种不同物理原理的转换技术，即压电效应、电磁感应、磁致伸缩和摩擦起电静电感应耦合。
近几年来，可穿戴、便携式电子设备的使用趋势越来越明显，但这一增长趋势仍然受到电池供电方式单一，生命周期短的限制，这导致对化学电池替代品的需求不断增加。因此，人们提出并设计了各种不同能源的能量收集技术，能为低功耗便携式电子设备提供持续的电力，如动能、太阳能、热能、声能等。基于环境振动的能量收集器能够将机械振动转化为电能，这些技术在低功率电子设备中具有广阔的应用前景。
但这些采用不同原理的能量采集器在实际应用中有着无法避免的缺点：1、悬梁结构机械性能差，在稍高强度或长时间的工作后容易产生机械疲劳甚至器件损坏；2、摩擦发电机内阻大，有限面积内输出功率低，转换的机械能不足以支撑后续电子设备耗电需求；3、灵敏度低，频率范围窄，低频输入下输出效果差；4、结构复杂，器件体积大，便携性差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有复合式能量采集器的频带窄、灵敏度不高、输出功率低、器件体积大的问题，提供一种宽频带、高灵敏度的磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，包括扇环形壳体，所述扇环形壳体的内环处设有圆心腔，所述圆心腔内间隙配合放置有圆心磁铁；所述扇环形壳体内依次放置有圆形磁铁Ⅰ和圆形磁铁Ⅱ，所述圆形磁铁Ⅰ和圆形磁铁Ⅱ之间相切，所述圆形磁铁Ⅰ与圆心腔外表面相切，所述圆形磁铁Ⅱ与扇环形壳体外环面相切；所述扇环形壳体的前后扇面底部对称设有突出的线圈放置腔，所述线圈放置腔内放置有铜线圈；所述扇环形壳体两侧面内对称设有双晶压电片；所述铜线圈和双晶压电片分别通过导线依次连接有超低功耗采集模块、升压模块、稳压模块、存储模块。
工作时，将复合能量收集器固定于振动源上，敏感单元圆形磁铁开始摆动，实现磁电转换，摆动碰到左右两侧双晶压电片，实现压电转换；引线经过超低功耗采集模块、升压模块、稳压模块、最后连接存储模块，实现为便携智能电子设备提供电能。
该宽频带、高灵敏度复合能量收集器具有如下优点：
1）、该收集器体积小，整体采用对称结构，集成四个发电单元，电磁感应与压电效应互为补偿，充分利用有限空间，提高单位输出功率。
2）、核心部件磁铁之间仅靠异性磁极相互吸引作用力连接，磁铁外表高度抛光，密闭空间封装，滑动摩擦力，空气阻力忽略不计。三个磁铁由上而下直径依次增大5mm，物理放大振动信号，提高器件灵敏度和可采集的频率范围。
3）、超低功耗采集模块最大程度降低功耗，经升压稳压存储模块可直接为低功耗电子设备供电，提高器件实用价值。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示本发明整体结构示意图。
图2表示本发明整体封装右视图。
图3表示磁敏感单元模块图。
图4表示电路模块示意图。
图中：1-扇环形壳体，2-线圈放置腔，3-铜线圈，4-圆心腔，5-圆心磁铁，6a-圆形磁铁Ⅰ，6b-圆形磁铁Ⅱ，7-底角凸台，8-双晶压电片，9-超低功耗采集模块，10-升压模块，11-稳压模块，12-存储模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，主要包括外部壳体，壳体内部的磁铁，放在壳体前后侧底部的线圈，位于壳体左右内侧的双晶压电片，后端采集存储控制模块。位于壳体内部的磁铁接收机械振动，外部的激励会引起封闭壳内磁铁的摆动，从而对壳体内侧的双晶压电片产生压力，进而将机械能转化为电能，同时通过磁电转换采集电能。
如图1所示，包括扇环形壳体1，扇环形壳体1的内环处设有圆心腔4（即圆心腔的中心与扇环形壳体对应的圆心重合），圆心腔4内间隙配合放置有圆心磁铁5。
如图3所示，扇环形壳体1内依次放置有圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b，圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b之间相切，圆形磁铁Ⅰ6a与圆心腔4外表面相切，圆形磁铁Ⅱ6b与扇环形壳体1外环面相切。圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b之间仅靠异性磁极相吸的原理相连，处于悬空状态。磁敏感单元由圆心磁铁5和两个圆形磁铁Ⅰ6a、圆形磁铁Ⅱ6b组成，圆心磁铁5、圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b的直径依次增大5mm，对振动信号进行物理放大，提高器件灵敏度和可采集的频率范围。
如图2所示，扇环形壳体1的前后扇面底部对称设有突出的线圈放置腔2，线圈放置腔2内放置有圆形铜线圈3。线圈放置腔2直径与圆形磁铁Ⅱ6b的直径相同，且线圈放置腔2与扇环形壳体1外环面最低点相切。
如图1所示，扇环形壳体1两侧面内对称设有双晶压电片8，双晶压电片8位于扇环形壳体1内两侧的底角凸台7上，实现双晶压电片8的最大形变。
如图4所示，铜线圈3和双晶压电片8分别通过导线依次连接有超低功耗采集模块9、升压模块10、稳压模块11、存储模块12，超低功耗采集模块9、升压模块10、稳压模块11、存储模块12可以集成位于扇环形壳体1外。振动激励通过电磁感应和压电效应经过超低功耗采集模块9、升压模块10、稳压模块11、最后连接存储模块12，实现为便携智能电子设备提供电能。
当有外部激励时，敏感单元两个圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b开始摆动，实现磁电转换，摆动碰到左右两侧双晶压电片8，实现压电转换，敏感单元的圆形磁铁Ⅰ6a和圆形磁铁Ⅱ6b根据振动信号的大小进行运动，当激励较大时，双晶压电片8转化多余的机械能，实现补偿作用。引线经过超低功耗采集模块9、升压模块10、稳压模块11、最后连接存储模块12，为便携智能电子设备提供电能。
该复合能量收集器整体为对称结构，以磁钟摆式结构为敏感结构，解决了传统的复合能量收集器长时间工作机械性能差，灵敏度低，频率范围窄，体积大的问题。
该复合能量收集器使用磁钟摆式结构，以机械振动致磁铁摆动引起电磁效应和压电效应为检测原理，其能量收集频带宽、灵敏度高、输出功率大，适合于无源便携智能电子设备等领域。
虽然以上描述了本发明的具体实施方案，本领域的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用变形、修饰、等同替换或等效替换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：包括扇环形壳体（1），所述扇环形壳体（1）的内环处设有圆心腔（4），所述圆心腔（4）内间隙配合放置有圆心磁铁（5）；所述扇环形壳体（1）内依次放置有圆形磁铁Ⅰ（6a）和圆形磁铁Ⅱ（6b），所述圆形磁铁Ⅰ（6a）和圆形磁铁Ⅱ（6b）之间相切，所述圆形磁铁Ⅰ（6a）与圆心腔（4）外表面相切，所述圆形磁铁Ⅱ（6b）与扇环形壳体（1）外环面相切；所述扇环形壳体（1）的前后扇面底部对称设有突出的线圈放置腔（2），所述线圈放置腔（2）内放置有铜线圈（3）；所述扇环形壳体（1）两侧面内对称设有双晶压电片（8）；所述铜线圈（3）和双晶压电片（8）分别通过导线依次连接有超低功耗采集模块（9）、升压模块（10）、稳压模块（11）、存储模块（12）。
2.根据权利要求1所述的一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：所述圆心磁铁（5）、圆形磁铁Ⅰ（6a）和圆形磁铁Ⅱ（6b）的直径依次增大5mm。
3.根据权利要求2所述的一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：所述线圈放置腔（2）直径与圆形磁铁Ⅱ（6b）的直径相同，且线圈放置腔（2）与扇环形壳体（1）外环面最低点相切。
4.根据权利要求1所述的一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：所述双晶压电片（8）位于底角凸台（7）上。
5.根据权利要求1所述的一种磁钟摆式电磁-压电复合能量收集器，其特征在于：所述超低功耗采集模块（9）、升压模块（10）、稳压模块（11）、存储模块（12）位于扇环形壳体（1）外。
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