CN111564945B - 一种复合式振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合式振动能量收集器，包括外壳，外壳的上下两端均固定有端盖，外壳的圆周壁上沿圆周方向均布有至少三个深度调节机构，深度调节机构的内端固定连接有压电梁，压电梁的内端固定连接有弹性膜，弹性膜的上下两面均固定连接有动磁铁，两个动磁铁分别与同侧的端盖之间设有摩擦生电机构，所述外壳的外周设有感应线圈。本发明利用压电梁、弹性膜、摩擦生电机构和感应线圈构成了一个复合式振动能量收集器，系统内部耦合了电磁、压电和摩擦生电三种换能机制，实现优势互补，提高了能量收集器的工作效率，丰富了能量收集器的输出特性；利用双自由度振动系统、碰撞和非线性磁力使振动能量收集器拥有更宽的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集器的技术领域，具体涉及一种复合式振动能量收集器。
背景技术
无线传感网络技术作为一种新兴的信息交流技术，在国防安全、医疗监护以及环境监测等领域具有广阔的应用前景，需要大量的化学电池长期地为无线传感节点供电，但是化学电池普遍存在寿命短、储能有限的问题，难以长期维持无线传感节点正常工作，需要定期的更换电池或充电，然而对于一些难以二次进入、节点分散以及环境恶劣的工作场景来说是难以实现的。
振动能量收集器能够将广泛存在于环境中的振动能转化为电能，是一种绿色能源收集技术。在自然环境中时刻存在着振动，而且不受天气、季节以及温度等方面的影响，这为振动能量收集器提供了充足的能量来源，因此振动能量收集器有望长期为无线传感节点供电。
根据能量转换机制的不同，现有振动能量收集器可以分为电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式以及摩擦生电式五种类型，各种类型的振动能量收集器各具优缺点，输出电信号特性比较单一，使用时存在一定局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复合式振动能量收集器，其将电磁、压电和摩擦生电三种能量转换机制相结合，有效避免了输出特性单一、使用局限性大的问题，提高振动能量收集器的能量转换效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种复合式振动能量收集器，包括外壳，外壳的上下两端均固定有端盖，外壳的圆周壁上沿圆周方向均布有至少三个深度调节机构，深度调节机构的内端固定连接有压电梁，压电梁的内端固定连接有弹性膜，弹性膜的上下两面均固定连接有动磁铁，两个动磁铁分别与同侧的端盖之间设有摩擦生电机构，所述外壳的外周设有感应线圈。
所述深度调节机构包括安装在外壳上的调节螺钉和定位块，其中在外壳的圆周壁上沿径向开设有安装孔，定位块滑动安装在安装孔内，调节螺钉与安装孔螺纹连接,调节螺钉的螺纹端与定位块转动连接。
所述调节螺钉的内端面上开设有截面为T型的凹槽，定位块的外端面上设有与凹槽转动配合的连接头。
所述定位块为非回转体，调节螺钉的端面设有一字槽或者十字槽。
所述摩擦生电机构包括第一摩擦层和第二摩擦层，第一摩擦层固定在动磁铁的外端面上，第二摩擦层固定在端盖的内端面上，第一摩擦层和第二摩擦层之间设有间隙。
所述端盖和第二摩擦层之间设有固定磁铁。
所述第二摩擦层的面积大于第一摩擦层的面积，所述第一摩擦层的材料为聚四氟乙烯，第二摩擦层的材料为聚甲醛。
所述压电梁的内端设有配重块。
所述压电梁的形状为矩形或梯形或变截面或S性或锯齿形，所述压电梁采用压电材料制成或者由压电材料和悬臂梁复合而成。
所述外壳的形状为圆柱或多棱柱，外壳选用不导磁材料制成，端盖外端面设有十字槽。
本发明利用压电梁、弹性膜、摩擦生电机构和感应线圈设计了一个复合式振动能量收集器，系统内部耦合了电磁、压电和摩擦生电三种换能机制，实现优势互补，提高了能量收集器的工作效率，丰富了能量收集器的输出特性；利用双自由度振动系统、碰撞和非线性磁力式使振动能量收集器拥有更宽的工作带宽；该振动能量收集器结构简单，操作方便，构思新颖，具有突出的输出性能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明的爆炸图。
图3为本发明的剖视图。
图4为图3中A区域放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-图4所示，一种复合式振动能量收集器，包括外壳1，外壳1的上下两端均固定有端盖7，外壳的圆周壁上沿圆周方向均布有至少三个深度调节机构2，深度调节机构的数量可以为三个、四个、六个或八个等，深度调节机构2的内端固定连接有压电梁3，压电梁3的内端固定连接有弹性膜4，弹性膜4的上下两面均固定连接有动磁铁5，两个动磁铁分别与同侧的端盖之间设有摩擦生电机构6，外壳的外周设有感应线圈8，感应线圈可分为上下两部分，两部分相互串联在一起，以增大振动能量收集器的输出功率。外界振动驱动时动磁铁5开始振动，动磁铁5的运动引起感应线圈8中磁通量发生变化，从而将部分振动能通过电磁感应原理转化电能；同时，动磁铁5的振动将带动压电梁3的变形，从而将部分振动能通过压电效应转化为电能；当动磁铁的振幅比较大时，摩擦生电机构6发生碰撞，通过摩擦生电效应和静电感应原理将碰撞能转化为电能。
深度调节机构2包括安装在外壳上的调节螺钉21和定位块22，调节螺钉21和定位块22的轴线在同一条直线上，其中在外壳的圆周壁上沿径向开设有安装孔，定位块22滑动安装在安装孔内，定位块22与安装孔滑动配合的方式比较多，例如在安装孔的内侧壁上沿安装孔长度方向开设一个导向槽，定位块22的外侧壁上设有与导向槽滑动配合的凸起，这样定位块22与安装孔滑动配合而不会相对转动。调节螺钉21与安装孔螺纹连接,调节螺钉21的螺纹端与定位块22转动连接，其中调节螺钉21的内端面上开设有截面为T型的凹槽，定位块22的外端面上设有与凹槽转动配合的连接头。拧动调节螺钉21可以带动定位块22在安装孔内沿安装孔的轴向移动，从而调节弹性膜的张紧程度。
定位块22为非回转体，定位块22与安装孔配合防止定位块发生转动。调节螺钉21的端面设有一字槽或者十字槽，方便调整调节螺钉21。
摩擦生电机构6包括第一摩擦层61和第二摩擦层62，第一摩擦层61和第二摩擦层62的中心轴线位于同一轴线，第一摩擦层61固定在动磁铁5的外端面上，第二摩擦层62固定在端盖7的内端面上，第一摩擦层61和第二摩擦层62之间设有间隙。
端盖7和第二摩擦层62之间设有固定磁铁，这样可以为振动能量收集器引入非线性因素，使振动能量收集器拥有更宽的工作频带；另外端盖7与第二摩擦层62之间也可设有弹性基质材料，这样可以减小动磁铁5与端盖7之间的碰撞能损耗。
第二摩擦层62的面积大于第一摩擦层61的面积，保证了第一摩擦层61在偏离轴线时，两摩擦层的接触面积始终是最大的。第一摩擦层61的材料为聚四氟乙烯，第二摩擦层62的材料为聚甲醛，两种薄膜的背面均镀有银层，作为输出电极，并通过金属导线与负载连接在一起。第一摩擦层61、第二摩擦层62均采用等离子刻蚀工艺进行加工，使表面具有凸凹不平的微观形貌，增大两者之间的接触面积，有利于电压的提高。
压电梁5的内端设有配重块，配重块的质量不同，可使振动能量收集系统能够响应频率不同的振动激励。
压电梁3的形状为矩形或梯形或变截面或S性或锯齿形，比如压电梁3形状均为大小完全一致的梯形，梯形的压电梁的大端与定位块固定连接，小端与橡胶材质的弹性膜连接在一起，压电梁3采用压电材料制成或者由压电材料和悬臂梁复合而成，比如采用压电陶瓷制成，或者由柔性压电材料和钢、铝、FR4或者亚克力片等悬臂梁复合而成，其中与弹性膜4相连接的压电梁3沿圆周方向均匀分布。
外壳1的形状为圆柱或多棱柱，比如四棱柱或者六棱柱等，外壳1选用不导磁材料制成，防止增加额外的电磁阻尼。端盖7外端面设有十字槽，便于调节端盖7和动磁铁5之间的间距。
本发明具体使用时，首先测试振源频率范围，然后拧动调节螺钉21，带动定位块22移动，从而调节弹性膜4的张紧程度以使振动能量收集器能够更匹配外界振动；然后将振动能量收集器固定在振源处；由于弹性膜4刚度小于压电梁3的刚度，当外界振动相对较低时，动磁铁5首先开始振动，动磁铁5位置的改变将引起感应线圈8中磁通量的变化，从而将部分振动能转化为电能；同时，动磁铁5的振动通过弹性膜4带动压电梁3发生变形，从而将部分振动能转化为电能；当振源频率增大时，压电梁3首先开始振动、变形，从而将振动能转化为电能，而压电梁3的振动反过来通过弹性膜4带动动磁铁5振动，动磁铁5的振动导致感应线圈8中的磁通量发生变化，从而导致振动能转化为电能；当动磁铁5的振幅比较大时，第一摩擦层61与第二摩擦层62将发生碰撞，两摩擦层接触过程中两摩擦层表面产生极性相反的电荷，随着两摩擦层的分离，两摩擦层构成带电电容，根据静电感应原理，分离间距的变化将导致电荷发生流动，从而将碰撞能转换为电能；同时，未与弹性膜4相连接的压电梁的共振频率设置为不同的值，则在外界振动激励频率与其自身共振频率一致时，压电梁3将感应外界振动并将其转化为电能，可以有效扩宽能量收集器的工作带宽；另外，碰撞的发生将增加能量收集系统的非线性，从而进一步拓宽振动能量收集器的工作带宽。为了大面积的收集振动能，振动能量收集器可以采用平铺的方式任意组合在一起。在变动使用场合时，可以旋转端盖7以调节两摩擦层间距，调节因碰撞引起的工作频带拓宽效果。
Claims (9)
1.一种复合式振动能量收集器，其特征在于：包括外壳，外壳的上下两端均固定有端盖，外壳的圆周壁上沿圆周方向均布有至少三个深度调节机构，深度调节机构的内端固定连接有压电梁，压电梁的内端固定连接有弹性膜，弹性膜的上下两面均固定连接有动磁铁，两个动磁铁分别与同侧的端盖之间设有摩擦生电机构，所述外壳的外周设有感应线圈，所述深度调节机构包括安装在外壳上的调节螺钉和定位块，其中在外壳的圆周壁上沿径向开设有安装孔，定位块滑动安装在安装孔内，调节螺钉与安装孔螺纹连接, 调节螺钉的螺纹端与定位块转动连接。
2.根据权利要求1所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述调节螺钉的内端面上开设有截面为T型的凹槽，定位块的外端面上设有与凹槽转动配合的连接头。
3.根据权利要求2所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述定位块为非回转体，调节螺钉的端面设有一字槽或十字槽。
4.根据权利要求1所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述摩擦生电机构包括第一摩擦层和第二摩擦层，第一摩擦层固定在动磁铁的外端面上，第二摩擦层固定在端盖的内端面上，第一摩擦层和第二摩擦层之间设有间隙。
5.根据权利要求4所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述端盖和第二摩擦层之间设有固定磁铁。
6.根据权利要求4所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述第二摩擦层的面积大于第一摩擦层的面积，所述第一摩擦层的材料为聚四氟乙烯，第二摩擦层的材料为聚甲醛。
7.根据权利要求1所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述压电梁的内端设有配重块。
8.根据权利要求1所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述压电梁的形状为矩形或梯形或变截面或S性或锯齿形，所述压电梁采用压电材料制成或者由压电材料和悬臂梁复合而成。
9.根据权利要求1所述的复合式振动能量收集器，其特征在于：所述外壳的形状为圆柱或多棱柱，外壳由不导磁材料制成，端盖外端面设有十字槽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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