CN112290769A - 一种集成三种发电方式的振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，属于微能源系统的能量转化领域；包括管外壳、管内壁、折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元、永磁体和内电路；管内壁同轴安装于管外壳内，在管外壳和管内壁之间形成环形间隙；永磁体同轴放置于管内壁内，永磁体能够沿轴向在管内壁内运动；通过永磁铁在管内的运动充当质量块，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；使永磁体上充以图形化电荷的驻极体薄膜与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；永磁体产生磁场使切割磁感线，电磁发电单元输出电压。本发明集成三种发电方式的振动能量收集装置安装方便，尺寸较小，内部发电结构弹性较好，发电效率高。

Description

一种集成三种发电方式的振动能量收集装置

技术领域

本发明属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种集成三种发电方式的振动能量收集装置。

背景技术

随着无线传感网络在便携式电子产品等领域的广泛应用，其器件要求使用寿命相对较长且分布广泛，更换电池或采用电力线供电显得不切实际，这就对器件的电源供应提出了新的挑战。从环境中收集已存在的机械能量的方法逐渐成为自供电微机电系统的电源系统方案，这种方式也更有利于微机电系统的进一步微型化。可将自然环境广泛存在的如风能、水力能量转换为可以带动发电机工作的旋转运动能量。

最近，柔性压电，摩擦电或驻极体发电机已经被开发出来以解决以上问题。拥有易于制造，低成本，高转换效率和环保无化学处理等优点，能适合众多复杂环境，且能与无线电子器件融合，因此有着广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，M Geisler等人在“Human-motion energyharvester for autonomous body area sensors”(Smart Mater.Struct.26(2017)035028(12pp))(中文题目：“用于自主身体区域传感器的人体运动能量采集器”国际期刊：智能材料与结构)文章中报道了一种电磁式管状振动能量收集装置，在装置两端，贴有反磁铁使管中运动磁铁处于悬浮状态，装置基于电磁感应原理收集环境中的振动能量。从一个适度的“人类运动”刺激下，一个装置能够在阻性负载下传输平均4.95mW的电力。虽然装置在两端加入了反磁铁结构，增强了磁铁运动的稳定性和提高了磁铁的运动速度。但是由于只是采用了单一的一种发电方式，所以说降低了能量转化效率，其输出功率相对较小。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，集成了三种发电方式。当装置受到外界振动时，永磁体会在内部进行运动产生相对位移，折纸发电单元，叉指发电单元，电磁发电单元会分别产生持续的输出电压，将机械能转换为电能。纸发电单元，叉指发电单元发电原理基于驻极体的薄膜摩擦/静电感应原理。电磁发电单元基于电磁感应原理。

本发明的技术方案是：一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：包括管外壳、管内壁、折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元、永磁体和内电路；所述管内壁同轴安装于管外壳内，形成两端封闭的中空圆柱结构，在管外壳和管内壁之间形成环形间隙；所述折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元由内电路集成置于管内；所述永磁体同轴放置于管内壁内，两者之间为间隙配合，永磁体能够沿轴向在管内壁内运动；

两个所述折纸发电单元的一端分别固定于所述管内壁的两端内壁上，另一端均为自由端，通过永磁体沿轴向运动交替压缩两端的折纸发电单元，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述叉指发电单元的叉指电极设置于管外壳和管内壁之间的环形间隙内，以聚酰亚胺为基底，铜为电极，是具有指状或梳状的面内有周期性图案的电极；所述永磁体外表面上充以图形化电荷的驻极体薄膜作为另一电极，通过轴向运动与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述电磁发电单元由永磁铁和缠绕在管外壳的外周面上的多匝铜丝组成，通过所述永磁体产生的磁场切割磁感线，电磁发电单元输出电压。

本发明的进一步技术方案是：所述折纸发电单元是由两个矩形长条结构的柔性电极反复交叉折叠形成的三维弹性结构，其中一条是底电极，另一条是对电极。

本发明的进一步技术方案是：所述折纸发电单元的底电极是电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片组成的三层复合结构，是通过工业压延而成的折纸结构；所述折纸发电单元的对电极是驻极体/电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片/驻极体五层复合结构，是在所述底电极三层复合结构的基础上，将驻极体薄膜通过化学覆盖，覆盖到其两侧表面形成的复合结构。

本发明的进一步技术方案是：所述管外壳和管内壁之间的间隙为1mm。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体薄膜为派瑞林Parylene或特氟龙Teflon，采用化学气象沉积、旋涂、深涂、浇灌的方法覆盖到柔性衬底电极上。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体薄膜的荷电植入方法为采用电晕充电，电子束辐射方式完成驻极体偶极子预注入。

本发明的进一步技术方案是：所述电磁发电单元中铜丝组为500匝铜线圈。

本发明的进一步技术方案是：所述永磁铁为圆柱形，直径18mm，长度20mm。

本发明的进一步技术方案是：所述叉指发电单元中永磁体表面的驻极体薄膜，采用旋转电荷注入方式，实现图形化的电荷注入。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，包括管外壳，管内壁，折纸发电单元，叉指发电单元，电磁发电单元，永磁铁，内电路。通过永磁铁在管内的运动充当质量块，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；使永磁体上充以图形化电荷的驻极体薄膜与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；永磁体产生磁场使切割磁感线，电磁发电单元输出电压。本发明集成三种发电方式的振动能量收集装置具有安装方便，尺寸较小，内部发电结构弹性较好，发电效率高等特点。本发明可广泛用于收集各频段振动频率。本发明所述的发电机发的电能可用作驱动指示灯或为储能元件供电。

与现有技术相比，本发明的集成三种发电方式的振动能量收集装置具有以下几个优点：

1.本发明所述的集成三种发电方式的振动能量收集装置的内部集成了两种发电方式分别为三种不同的能量采集单元，较单一的能量采集装置，如电磁发电高电流、低阻抗，静电发电高电压、低电流的难点，实现不同能量采集单元间的优缺互补，实现高电压、高电流的特点，能量捕获效率高。

2.本发明所述的永磁体结构充当三个发电单元的主要部件，在电磁发电单元永磁体产生磁场，在叉指发电单元永磁体覆有经特有旋转电荷注入方式充以叉指状图形化电荷的驻极体薄膜充当另一电极，在折纸发电单元充当质量块对折纸进行冲击。是三种发电方式联动，避免了需要不同产生激励的方式。集成三种发电方式的振动能量收集装置体积较小、结构易于制作、质量轻便，易于安装，克服了传统的大型波浪能发电装置安装困难，结构复杂的问题。

3.本发明所述的集成三种发电方式的振动能量收集装置可以采集各种频段的振动信号。可应用于多种领域，可穿戴设备的供电，海洋预警传感器供电，采集人体运动和海洋波浪等所产生的的振动能量。

附图说明

图1为本发明一种集成三种发电方式的振动能量收集装置二分之一剖视图。

图2为集成三种发电方式的振动能量收集装置内部折纸发电单元示意图。

图3为集成三种发电方式的振动能量收集装置内部叉指发电单元示意图。

图4为集成三种发电方式的振动能量收集装置叉指发电单元永磁体上驻极体薄膜特有旋转图形化充电示意图。

图5为集成三种发电方式的振动能量收集装置电磁发电单元发电原理示意图。

图6为集成三种发电方式的振动能量收集装置叉指发电单元发电原理示意图。

图7为集成三种发电方式的振动能量收集装置三种发电性能表征图。

图8为集成三种发电方式的振动能量收集装置发电性能混合对比图。

附图标记说明：1.管外壳，2.管内壁，3.折纸发电单元，4.叉指发电单元，5.铜线圈，6.永磁体，7.底电极，8.对电极，9.驻极体薄膜，10.叉指电极。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本发明的集成三种发电方式的振动能量收集装置由折纸发电单元3，叉指发电单元4，电磁发电单元在管外壳1与管内壁2内集成而形成的管状结构，折纸发电单元3包括矩形长条结构底电极7和对电极8反复交叉折叠形成的三维弹性结构，底电极7是电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片三层复合结构，是将电镀铜薄片、聚酰亚胺和电镀铜薄片通过压延而成的折纸结构；对电极8是驻极体/电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片/驻极体五层复合结构，是在所述底电极三层复合结构的基础上，将驻极体薄膜通过化学覆盖覆盖到其两侧表面形成的复合结构；其中驻极体薄膜采用派瑞林Parylene或者特氟龙Teflon，采用化学气象沉积，旋涂，深涂，浇灌的方法进行表面覆盖到柔性衬底电极上。通过电晕极化为驻极体薄膜充上预置电荷，形成表面偏置电压。

底电极7和对电极8的折弯处的电镀铜薄片加工为多个平行的条状，使得三维折叠结构中相邻电镀铜薄片平面之间的连接处为多个线性连接，保证其折叠性，每个所述条状的宽度为1至2mm。

所述的管外壳1上开设半圆形孔，孔半径为0.5mm，，起到为电磁发电单元中铜线圈5引线作用，并且起到降低管内空气阻尼作用。

所述的叉指发电单元4，由贴覆在永磁体6上驻极体薄膜9和叉指电极10组成。所述叉指电极10以聚酰亚胺为基底，铜为电极所制成的如指状或梳状的面内有周期性图案的电极。

所述的圆柱形磁铁6为钕铁硼制作，半径为9mm。

具有内、外两个外部固定组件构成的一个集成三种发电方式的振动能量收集装置。

如图1所示集成三种发电方式的振动能量收集装置是由管外壳1，管内壁2，折纸发电单元3，叉指发电单元4，电磁发电单元，永磁体6组成。叉指发电单元4置于管外壳1与管内壁2之间产生的1mm间隙中。折纸发电单元3黏附于管外壳1两端，亦充当振动能量收集装置的弹性元件。铜线圈5缠绕于管外壳1外部，永磁体6在管内壁2内部与管内壁2水平。

如图2所示折纸发电单元3由底电极和对电极在空间内交叉折叠而成。底电极7和对电极8预先制备成矩形长条，其长度根据需要可进行调整。将对电极8与底电极7一端重叠，反复交叉折叠。当折叠完成后，从底电极7与对电极8端面分别引出导线与内部电路连接。

如图3所示，所述叉指发电单元4是由叉指电极10与预充电的驻极体薄膜9组成。叉指电极10以聚酰亚胺为基底，铜为电极所制成的如指状或梳状的面内有周期性图案的电极。

如图4所示，所述为叉指发电单元另一电极，旋转电荷注入装置对永磁体上驻极体薄膜实现图形化充电。

如图5所示为本发明的电磁发电单元发电原理。当受到外部振动，永磁体6在管外壳1内运动产生磁场，外部铜线圈5由于电磁感应原理产生感应电压。

如图6所示为本发明的叉指发电单元4发电原理。当受到外部振动，永磁体6在管外壳1内运动，两电极由于静电感应原理产生电信号。

如图7所示为本发明三种发电单元的发电性能对比。

如图8所示为本发明电磁，静电发电性能以及混合发电性能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：包括管外壳、管内壁、折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元、永磁体和内电路；所述管内壁同轴安装于管外壳内，形成两端封闭的中空圆柱结构，在管外壳和管内壁之间形成环形间隙；所述折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元由内电路集成置于管内；所述永磁体同轴放置于管内壁内，两者之间为间隙配合，永磁体能够沿轴向在管内壁内运动；

两个所述折纸发电单元的一端分别固定于所述管内壁的两端内壁上，另一端均为自由端，通过永磁体沿轴向运动交替压缩两端的折纸发电单元，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述叉指发电单元的叉指电极设置于管外壳和管内壁之间的环形间隙内，以聚酰亚胺为基底，铜为电极，是具有指状或梳状的面内有周期性图案的电极；所述永磁体外表面上充以图形化电荷的驻极体薄膜作为另一电极，通过轴向运动与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述电磁发电单元由永磁铁和缠绕在管外壳的外周面上的多匝铜丝组成，通过所述永磁体产生的磁场切割磁感线，电磁发电单元输出电压。

2.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述折纸发电单元是由两个矩形长条结构的柔性电极反复交叉折叠形成的三维弹性结构，其中一条是底电极，另一条是对电极。

3.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述折纸发电单元的底电极是电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片组成的三层复合结构，是通过工业压延而成的折纸结构；所述折纸发电单元的对电极是驻极体/电镀铜薄片/聚酰亚胺/电镀铜薄片/驻极体五层复合结构，是在所述底电极三层复合结构的基础上，将驻极体薄膜通过化学覆盖，覆盖到其两侧表面形成的复合结构。

4.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述管外壳和管内壁之间的间隙为1mm。

5.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述驻极体薄膜为派瑞林Parylene或特氟龙Teflon，采用化学气象沉积、旋涂、深涂、浇灌的方法覆盖到柔性衬底电极上。

6.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述驻极体薄膜的荷电植入方法为采用电晕充电，电子束辐射方式完成驻极体偶极子预注入。

7.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述电磁发电单元中铜丝组为500匝铜线圈。

8.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述永磁铁为圆柱形，直径18mm，长度20mm。

9.根据权利要求1所述集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：所述叉指发电单元中永磁体表面的驻极体薄膜，采用旋转电荷注入方式，实现图形化的电荷注入。

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