CN111564989A - 一种压电-电磁复合式振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电‑电磁复合式振动能量收集器，包括空心管，空心管下端固定连接有第一调节端盖，第一调节端盖的内端面固定连接有第一弹簧，第一弹簧上端固定连接有第一环形磁铁，第一环形磁铁的上端面固定有第一压电薄膜，第一压电薄膜的下表面固定连接有第二弹簧，第二弹簧下端固定连接有第一质量块，空心管上端固定连接有第二调节端盖，第二调节端盖的下端面固定有碰撞机构，空心管外周于第一环形磁铁处设有第一感应线圈。本发明利用两个固有频率不同的弹簧构建一个具有双自由度振动系统的压电‑电磁振动能量收集器，从而对能量收集器的工作带宽进行拓宽，通过将电磁感应原理和压电效应相结合的方式实现输出电流、输出电压双高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集技术领域，具体涉及一种压电-电磁复合式振动能量收集器。
背景技术
随着微机电技术、微电子技术、嵌入式技术以及无线通信技术的快速发展，低功耗的电子器件大量的出现，但是这些器件严重依赖外部电能的供应。目前常用的供能方式为化学电池供能，但是化学电池的寿命有限，严重制约了器件发挥其自身的性能。考虑到器件的低功耗特性，从器件周边环境中提取能量为器件供电是一个理想的可替代方案。
环境中所蕴含的能量主要有太阳能、风能、潮汐能、机械振动能均能够被转换为电能，其中机械振动能是一种广泛存在于自然界中的能源。利用电磁感应原理、压电效应、静电感应原理以及摩擦生电原理可以将振动能转化为电能。
目前，国内外学者研制了大量的振动能量收集器，但是普遍存在着工作带宽窄、输出功率（电压）低或者结构复杂的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其有效的解决现有振动能量收集器的工作带宽窄、输出功率低以及结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压电-电磁复合式振动能量收集器，包括空心管，空心管下端固定连接有第一调节端盖，第一调节端盖的内端面固定连接有伸入空心管内且与空心管同轴的第一弹簧，第一弹簧上端固定连接有第一环形磁铁，第一环形磁铁的上端面固定有第一压电薄膜，第一压电薄膜的下表面固定连接有与空心管同轴的第二弹簧，第二弹簧下端穿过第一环形磁铁伸入第一弹簧内，第二弹簧下端固定连接有第一质量块，第二弹簧的固有频率和第一弹簧的固有频率不同，空心管上端固定连接有第二调节端盖，第二调节端盖的下端面固定有碰撞机构，空心管外周于第一环形磁铁处设有第一感应线圈。
所述碰撞机构包括固定在第二调节端盖下端面的碰撞块。
所述碰撞机构包括固定在第二调节端盖下端面的第三弹簧，第三弹簧伸入空心管内且与空心管同轴，第三弹簧下端固定连接有第二环形磁铁，第二环形磁铁的下端面固定有第二压电薄膜，第二压电薄膜的上表面固定连接有与空心管同轴的第四弹簧，第四弹簧上端穿过第二环形磁铁伸入第三弹簧内，第三弹簧的固有频率和第四弹簧的固有频率不同，第四弹簧上端固定连接有第二质量块，空心管外周于第二环形磁铁处设有第二感应线圈。
所述第一弹簧的外径不大于第一环形磁铁的外径且不小于第一环形磁铁的内径，第一环形磁铁的外圆周表面与空心管内表面之间设有间隙。
所述第一调节端盖内部设置有第一圆形凹槽，第一圆形凹槽的直径大于第一质量块的直径且小于第一弹簧的内径。
所述空心管和第一质量块由不导磁材料制成。
第一调节端盖与空心管通过螺纹固定连接，第二调节端盖与空心管通过螺纹固定连接，第一压电薄膜为圆形。
所述碰撞块由刚性材料或弹性材料制成。
所述第三弹簧外径不大于第二环形磁铁外径且不小于第二环形磁铁的内径，所述第二环形磁铁的外圆周表面与空心管内表面之间设有间隙，第二压电薄膜为圆形。
所述第二调节端盖内部设置有第二圆形凹槽，第二圆形凹槽直径大于第二质量块的直径且小于第三弹簧内径，第二质量块由不导磁材料制成。
本发明利用两个固有频率不同的弹簧构建一个具有双自由度振动系统的压电-电磁振动能量收集器，利用双自由度振动系统对能量收集器的工作带宽进行拓宽，通过将电磁感应原理和压电效应相结合的方式实现输出电流、输出电压双高的优点，并且结构简单，制作方便，便于推广。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2本发明实施例1的剖视图。
图3为本发明实施例1的爆炸图。
图4本发明实施例2的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-图3所示，一种压电-电磁复合式振动能量收集器，包括空心管9，空心管9下端固定连接有第一调节端盖10，第一调节端盖10的内端面固定连接有伸入空心管9内且与空心管9同轴的第一弹簧7，第一弹簧7上端固定连接有第一环形磁铁6，第一环形磁铁6的上端面固定有第一压电薄膜3，第一压电薄膜3为圆形，第一压电薄膜3的下表面固定连接有与空心管9同轴的第二弹簧4，第二弹簧4的外径小于第一环形磁铁6的内径，这样可以避免第二弹簧4与第一环形磁铁6内壁发生摩擦造成能量损耗，增大第一质量块对第一压电薄膜的作用力。第二弹簧4的直径设置小一些，使第二弹簧4与第一压电薄膜3作用面积更小，从而使作用在第一压电薄膜3单位面积上的作用力更大，进而导致第一压电薄膜3的变形更大，由于第一压电薄膜3在微小变形条件下便能产生较高的输出电压，因此第一压电薄膜3的大变形能够产生更高的输出电压。第二弹簧4下端穿过第一环形磁铁6伸入第一弹簧7内，第二弹簧4下端固定连接有第一质量块5，第二弹簧4的固有频率和第一弹簧7的固有频率大小不同，空心管9上端固定连接有第二调节端盖1，第二调节端盖1的下端面固定有碰撞块2，空心管9外周于第一环形磁铁6处设有第一感应线圈8。第二弹簧4和第一弹簧7的固有频率大小不同以构建一个双自由度的振动能量收集系统，实现振动能量收集器系统工作带宽的拓宽。
第一弹簧7的外径不大于第一环形磁铁6的外径且不小于第一环形磁铁6的内径，这样可以防止第一弹簧7与空心管9发生摩擦，同时保证第一弹簧7能够支撑第一环形磁铁6。第一环形磁铁6位于空心管9内部，第一环形磁铁6的外圆周表面与空心管9内表面之间设有间隙，这样可以防止第一环形磁铁6在振动过程中与空心管9内表面发生摩擦消耗能量。
第一调节端盖10内部设置有第一圆形凹槽，第一圆形凹槽的直径大于第一质量块5的直径且小于第一弹簧7的内径，这样可以增大第一质量块的运动行程。
空心管9和第一质量块5由不导磁材料制成，以防止第一环形磁铁6干扰第一质量块5振动。
第一调节端盖10与空心管9通过螺纹固定连接，第二调节端盖1与空心管9通过螺纹固定连接，这样可以改变第一环形磁铁6上端面与碰撞块2下端面之间的间距，从而改变第一环形磁铁6的可活动空间大小。
碰撞块2由刚性材料或弹性材料制成，第一环形磁铁6和碰撞块2碰撞后共同振动直到分开，减少刚性碰撞的造成能量损失。
本实施例在使用时，需要将第一调节端盖10竖直固定在振源上，当振源的频率接近第一弹簧7的固有频率时，第一环形磁铁6将上下振动，从而使第一感应线圈8中磁通量发生变化，进而使振源的机械振动能转化为电能，由于第一环形磁铁6通过第一压电薄膜3和第二弹簧4与第一质量块5相连接，第一环形磁铁6的振动将驱动第一质量块5上下振动，第一质量块5上下振动将使第一压电薄膜3发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能；当振源的频率接近第二弹簧4的固有频率时，第一质量块5将上下振动，从而使第一压电薄膜3发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能，由于第一质量块5通过第一压电薄膜3和第二弹簧4与第一环形磁铁6相连接，第一质量块5振动将驱动第一环形磁铁6上下振动，第一环形磁铁6上下振动导致第一感应线圈8中的磁通量发生变化，从而使机械振动能转化为电能；当第一环形磁铁6振动幅度足够大时，第一环形磁铁6或者第一压电薄膜3将与碰撞块2相碰撞，限制了第一环形磁铁6运动幅度，改变了第一环形磁铁6的运动规律，拓宽了系统的响应带宽。
通过旋转第一调节端盖10和第二调节端盖1能够改变第一环形磁铁6上端面与碰撞块2下端面之间的间距，从而改变第一环形磁铁6的可活动空间大小。
实施例2
如图4所示，本实施例包括空心管9，空心管9下端固定连接有第一调节端盖10，第一调节端盖10的内端面固定连接有伸入空心管9内且与空心管9同轴的第一弹簧7，第一弹簧7上端固定连接有第一环形磁铁6，第一环形磁铁6的上端面固定有第一压电薄膜3，第一压电薄膜3为圆形，第一压电薄膜3的下表面固定连接有与空心管9同轴的第二弹簧4，第二弹簧4的外径小于第一环形磁铁6的内径，这样可以避免第二弹簧4与第一环形磁铁6内壁发生摩擦造成能量损耗，增大第一质量块5对第一压电薄膜3的作用力。第二弹簧4的直径设置小一些，使第二弹簧4与第一压电薄膜3作用面积更小，从而使作用在第一压电薄膜3单位面积上的作用力更大，进而使得第一压电薄膜3的变形更大，由于第一压电薄膜3在微小变形条件下便能产生较高的输出电压，因此第一压电薄膜3的大变形能够产生更高的输出电压。第二弹簧4下端穿过第一环形磁铁6伸入第一弹簧7内，第二弹簧4下端固定连接有第一质量块5，第二弹簧4的固有频率和第一弹簧7的固有频率大小不同，空心管9上端固定连接有第二调节端盖1，第二调节端盖1的下端面固定有碰撞机构，空心管9外周于第一环形磁铁6处设有第一感应线圈8。第二弹簧4和第一弹簧7的固有频率大小不同以构建一个双自由度的振动能量收集系统，实现振动能量收集器系统工作带宽的拓宽。
本实施例的碰撞机构包括固定在第二调节端盖1下端面的第三弹簧11，第三弹簧11伸入空心管9内且与空心管9同轴，第三弹簧11下端固定连接有第二环形磁铁12，第二环形磁铁12与第一环形磁铁6之间设有间距，第二环形磁铁12的下端面固定有第二压电薄膜13，第二压电薄膜13为圆形，第二压电薄膜13的上表面固定连接有与空心管同轴的第四弹簧14，第四弹簧14上端穿过第二环形磁铁伸入第三弹簧11内，第三弹簧11的固有频率和第四弹簧14的固有频率大小不同，第三弹簧11和第四弹簧14的固有频率大小不同以构建一个双自由度的振动能量收集系统，实现振动能量收集器系统工作带宽的拓宽。第四弹簧14上端固定连接有第二质量块15，空心管外周于第二环形磁铁12处设有第二感应线圈16。
第一弹簧7的外径不大于第一环形磁铁6的外径且不小于第一环形磁铁6的内径，这样可以防止第一弹簧7与空心管9发生摩擦，同时保证第一弹簧7能够支撑第一环形磁铁6。第一环形磁铁6位于空心管内部，第一环形磁铁6的外圆周表面与空心管内表面之间设有间隙，这样可以防止第一环形磁铁6在振动过程中与空心管9内表面发生摩擦消耗能量。
第一调节端盖10内部设置有第一圆形凹槽，第一圆形凹槽的直径大于第一质量块5的直径且小于第一弹簧7的内径，这样可以增大第一质量块5的运动距离。
空心管9和第一质量块5由不导磁材料制成，以防止第一环形磁铁6干扰第一质量块5振动。
第一调节端盖10与空心管9通过螺纹固定连接，第二调节端盖1与空心管9通过螺纹固定连接，这样可以改变第一环形磁铁6上端面与碰撞块2下端面之间的间距，从而改变第一环形磁铁6的可活动空间大小。
第三弹簧11外径不大于第二环形磁铁12外径且不小于第二环形磁铁12的内径，这样可以防止第三弹簧11与空心管9发生摩擦，同时保证第三弹簧11能够支撑第二环形磁铁12。第二环形磁铁12位于空心管9内部，第二环形磁铁12的外圆周表面与空心管9内表面之间设有间隙，这样可以防止第二环形磁铁12在振动过程中与空心管9内表面发生摩擦消耗能量。
第二调节端盖1内部设置有第二圆形凹槽，第二圆形凹槽直径大于第二质量块15的直径且小于第三弹簧11内径，第二质量块15由不导磁材料制成。
本实施例在使用时，需要将第一调节端盖10竖直固定在振源上，由于第二弹簧4和第一弹簧7的固有频率不同，第三弹簧11和第四弹簧14的固有频率大小不同，使振动能量收集器中包含两个双自由度的振动系统，当振源的频率接近第一弹簧7的固有频率时，第一环形磁铁6将上下振动，从而使第一感应线圈8中磁通量发生变化，进而使振源的机械振动能转化为电能，由于第一环形磁铁6通过第一压电薄膜3和第二弹簧4与第一质量块5相连接，第一环形磁铁6的振动将驱动第一质量块5上下振动，第一质量块5上下振动将使第一压电薄膜3发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能；当振源的频率接近第二弹簧4的固有频率时，第一质量块5将上下振动，从而使第一压电薄膜3发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能，由于第一质量块5通过第一压电薄膜3和第二弹簧4与第一环形磁铁6相连接，第一质量块5振动将驱动第一环形磁铁6上下振动，第一环形磁铁6上下振动导致第一感应线圈8中的磁通量发生变化，从而使机械振动能转化为电能；当振源的频率接近第三弹簧11的固有频率时，第二环形磁铁12将上下振动，从而使第二感应线圈16中磁通量发生变化，进而使振源的机械振动能转化为电能，由于第二环形磁铁12通过第二压电薄膜13和第四弹簧14与第二质量块15相连接，第二环形磁铁12的振动将驱动第二质量块15上下振动，第二质量块15上下振动将使第二压电薄膜13发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能；当振源的频率接近第四弹簧14的固有频率时，第二质量块15将上下振动，从而使第二压电薄膜13发生变形，通过压电材料的压电效应使机械振动能转化为电能，由于第二质量块15通过第二压电薄膜13和第四弹簧14与第二环形磁铁12相连接，第二质量块15振动将驱动第二环形磁铁12上下振动，第二环形磁铁12上下振动导致第二感应线圈16中的磁通量发生变化，从而使机械振动能转化为电能；由于位于下方的第一弹簧和第二弹簧的共振频率不同，位于上方的第三弹簧和第四弹簧的共振频率不同，第一环形磁铁6和第二环形磁铁12的振动响应情况不同步，当第一环形磁铁6和第二环形磁铁12振动幅度足够大时，第一环形磁铁6将与第二环形磁铁12发生碰撞，在系统中引入非线性因素，改变了第一环形磁铁6将与第二环形磁铁12的运动规律，可拓宽振动能量收集器的工作带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施而已，并不用限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：包括空心管，空心管下端固定连接有第一调节端盖，第一调节端盖的内端面固定连接有伸入空心管内且与空心管同轴的第一弹簧，第一弹簧上端固定连接有第一环形磁铁，第一环形磁铁的上端面固定有第一压电薄膜，第一压电薄膜的下表面固定连接有与空心管同轴的第二弹簧，第二弹簧下端穿过第一环形磁铁伸入第一弹簧内，第二弹簧下端固定连接有第一质量块，第二弹簧的固有频率和第一弹簧的固有频率不同，空心管上端固定连接有第二调节端盖，第二调节端盖的下端面固定有碰撞机构，空心管外周于第一环形磁铁处设有第一感应线圈。
2.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述碰撞机构包括固定在第二调节端盖下端面的碰撞块。
3.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述碰撞机构包括固定在第二调节端盖下端面的第三弹簧，第三弹簧伸入空心管内且与空心管同轴，第三弹簧下端固定连接有第二环形磁铁，第二环形磁铁的下端面固定有第二压电薄膜，第二压电薄膜的上表面固定连接有与空心管同轴的第四弹簧，第四弹簧上端穿过第二环形磁铁伸入第三弹簧内，第三弹簧的固有频率和第四弹簧的固有频率不同，第四弹簧上端固定连接有第二质量块，空心管外周于第二环形磁铁处设有第二感应线圈。
4.根据权利要求2或3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述第一弹簧的外径不大于第一环形磁铁的外径且不小于第一环形磁铁的内径，第一环形磁铁的外圆周表面与空心管内表面之间设有间隙。
5.根据权利要求2或3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述第一调节端盖内部设置有第一圆形凹槽，第一圆形凹槽的直径大于第一质量块的直径且小于第一弹簧的内径。
6.根据权利要求2或3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述空心管和第一质量块由不导磁材料制成。
7.据权利要求2或3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：第一调节端盖与空心管通过螺纹固定连接，第二调节端盖与空心管通过螺纹固定连接，第一压电薄膜为圆形。
8.根据权利要求2所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述碰撞块由刚性材料或弹性材料制成。
9.根据权利要求3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述第三弹簧外径不大于第二环形磁铁外径且不小于第二环形磁铁的内径，所述第二环形磁铁的外圆周表面与空心管内表面之间设有间隙，第二压电薄膜为圆形。
10.根据权利要求3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于：所述第二调节端盖内部设置有第二圆形凹槽，第二圆形凹槽直径大于第二质量块的直径且小于第三弹簧内径，第二质量块由不导磁材料制成。
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