CN112532108A - 一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，装置由下至上依次为装置底座、装置框架、振幅放大机构和能量收集机构，振幅放大机构包括压电装置、磁铁阵列一和磁铁阵列二，所述能量收集机构包括悬臂梁、磁铁阵列三、磁铁阵列四和电感应线圈，相较于其他能量收集装置，本装置有对振动的利用更加充分，能够获得更多的输出能量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置。
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
本发明的目的是提供一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，以解决上述现有技术存在的问题，结构小巧，输出功率高，具有力放大和位移放大特性，可以实现较高的能量输出功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，包括装置底座、装置框架、振幅放大机构和能量收集机构，所述装置框架设置于所述底座的顶部，所述能量收集机构和振幅放大机构设置于所述装置框架的内部，所述振幅放大机构包括压电装置，磁铁阵列一和磁铁阵列二，所述压电装置顶部连接所述装置框架的顶板，所述压电装置底部连接磁铁阵列一，所述磁铁阵列二连接所述装置框架的底板，所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二的磁铁直接留有间隙，所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二中的各磁铁的N极和S极交替排布，且所述磁铁阵列一中的N极和所述磁铁阵列二中的S极相对，所述磁铁阵列一中的S极和所述磁铁阵列二中的N极相对；
所述能量收集机构包括悬臂梁、磁铁阵列三、磁铁阵列四和电感应线圈，所述悬臂梁横向设置，并位于所述压电装置和所述磁铁阵列一之间，所述悬臂梁的两端分别连接所述磁铁阵列三和磁铁阵列四，所述磁铁阵列三和磁铁阵列四中的各个磁铁N极和S极交替排布，与所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四相对的所述装置框架的两内侧壁上设置所述电感应线圈。
优选地，所述压电装置包括外壳和设置于外壳内的压电材料，所述压电装置的外壳顶部通过螺钉与所述装置框架的顶板连接。
优选地，所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二均设置于支撑框架内，所述磁铁阵列一的支撑框架通过螺钉连接所述压电装置的外壳的底端，所述磁铁阵列二的支撑框架通过螺钉连接所述装置框架的底板。
优选地，所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四均设置于支撑框架内，且所述悬臂梁的两端分别连接所述磁铁阵列三的支撑框架和所述磁铁阵列四的支撑框架。
优选地，所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四的支撑框架的内侧设置插接部，所述悬臂梁的两端插接在所述插接部上。
优选地，所述装置框架通过螺钉固定在所述装置底座上。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，基于现有的压电以及电磁感应发电技术，通过将二者相结合，提高了能量收集装置的输出功率和工作效率。通过应用磁力振幅放大结构，增大装置的振幅，从而使悬臂梁处的永磁体振动更加剧烈，从而提高电磁感应发电的输出功率。通过力放大机构，增加在振动时压电堆栈所受的正压力，从而增大压电堆栈所输出的峰值电压，在经过滤波后输出的电量也会提升。通过两种能量收集方式的结合，提高了装置整体的频率适应性能，当频率较低时，电磁感应发电电压过低，此时电能主要由压电堆栈输出；当振动频率提高时，电磁感应现象更加明显，此时其发电效率高的特点凸显，提高了能量收集装置的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置的正向结构示意图；
图2为本发明中基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置的正向剖面图；
图3为本发明中基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置的立体结构示意图；
图中：1-装置底座、2-装置框架、3-螺钉、41-磁铁阵列一、42-磁铁阵列二、5-支撑框架、6-悬臂梁、7-电感应线圈、81-磁铁阵列三、82-磁铁阵列四、9-支撑框架、10-压电装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，如图1-3所示，包括装置底座1、装置框架2、振幅放大机构和能量收集机构，装置框架2通过螺钉3固定于底座的顶部，能量收集机构和振幅放大机构设置于装置框架2的内部，振幅放大机构包括压电装置10，磁铁阵列一41和磁铁阵列二42，压电装置10顶部连接装置框架2的顶板，压电装置10底部连接磁铁阵列一41，磁铁阵列二42连接装置框架2的底板，磁铁阵列一41和磁铁阵列二42的磁铁直接留有间隙，磁铁阵列一41和磁铁阵列二42中的各磁铁的N极和S极交替排布，且磁铁阵列一41中的N极和磁铁阵列二42中的S极相对，磁铁阵列一41中的S极和磁铁阵列二42中的N极相对；
能量收集机构包括悬臂梁6、磁铁阵列三81、磁铁阵列四82和电感应线圈7，悬臂梁6横向设置，并位于压电装置10和磁铁阵列一41之间，悬臂梁6的两端分别连接磁铁阵列三81和磁铁阵列四82，磁铁阵列三81和磁铁阵列四82中的各个磁铁N极和S极交替排布，与磁铁阵列三81和磁铁阵列四82相对的装置框架2的两内侧壁上设置电感应线圈7。
于本具体实施例中，压电装置10包括外壳和设置于外壳内的压电材料，压电装置10的外壳顶部通过螺钉3与装置框架2的顶板连接。
于本具体实施例中，磁铁阵列一41和磁铁阵列二42均设置于支撑框架5内，磁铁阵列一41的支撑框架5通过螺钉3连接压电装置10的外壳的底端，磁铁阵列二42的支撑框架5通过螺钉3连接装置框架2的底板。
于本具体实施例中，磁铁阵列三81和磁铁阵列四82均设置于支撑框架95内，且悬臂梁6的两端分别连接磁铁阵列三81的支撑框架9和磁铁阵列四82的支撑框架9。磁铁阵列三81和磁铁阵列四82的支撑框架9的内侧设置插接部，悬臂梁6的两端插接在插接部上。
在实际工作中，装置可能处于多种扰动的复杂环境中，本装置主要针对沿其竖直方向的振动或振动分量进行能量收集。接下来的描述也针对于沿竖直方向的工作情况。
将本装置置于一个振动环境中，底座1需要同振动环境固连，例如通过螺栓连接至发动机壳体或其他产生振动的物体上。此时装置底座1和与之固连的装置框架2受到激励开始振动，由于采用了刚性连接，两者的振动模式与环境相同。由于框架在数值方向的刚度有限，且内部接有一定质量的结构，所以装置框架2在随环境振动时自身会产生一定的变形，具体表现为框架上部向内弯曲，此时安装有磁铁阵列二的支撑框架5有向下的位移，振幅放大结构中磁铁阵列一和磁铁阵列二的气隙减小，磁力快速增大。若将框架内连接压电装置10、悬臂梁6及磁铁阵列三、四和位移放大装置的上半部分的结构看作一个机械系统，此系统在产生向下的位移时，自身的系统刚度逐渐减小。所以其位移将大于一般的弹簧—质量系统。而对于此机械系统，其受到的作用力除了惯性力以外，还有随距离变化的磁吸附力。所以，本装置的振幅放大结构同时增大了作用于装置上半部分的力和上半部分产生的位移，更加有利于能量收集装置工作。
本装置采用了两种不同原理的能量收集装置，其中悬臂梁6、磁铁阵列三81、磁铁阵列四82以及支撑框架9组成电磁感应发电装置，其中悬臂梁6的弯曲模量很小，收到外部激励时会产生较大的振幅，磁铁结构置于悬臂梁的两端，以获得最大的磁通变化量，磁铁的排列方式为N极S极交替排布，最终使线圈处的磁通量变化增大。当电磁感应发电装置受到外部激励时，便会产生受迫振动，从而产生感应电动势。
压电装置10在振动中受到沿竖直方向的周期性作用力，压电装置10内部填充的压电材料在收到沿极轴方向的作用力时会产生电压，通过对压电材料进行堆叠，将此类压电效应的效果放大，获得可利用的电能。通过力放大结构可以显著增强作用于压电材料的作用力。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：包括装置底座、装置框架、振幅放大机构和能量收集机构，所述装置框架设置于所述底座的顶部，所述能量收集机构和振幅放大机构设置于所述装置框架的内部，所述振幅放大机构包括压电装置，磁铁阵列一和磁铁阵列二，所述压电装置顶部连接所述装置框架的顶板，所述压电装置底部连接磁铁阵列一，所述磁铁阵列二连接所述装置框架的底板，所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二的磁铁直接留有间隙，所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二中的各磁铁的N极和S极交替排布，且所述磁铁阵列一中的N极和所述磁铁阵列二中的S极相对，所述磁铁阵列一中的S极和所述磁铁阵列二中的N极相对；
所述能量收集机构包括悬臂梁、磁铁阵列三、磁铁阵列四和电感应线圈，所述悬臂梁横向设置，并位于所述压电装置和所述磁铁阵列一之间，所述悬臂梁的两端分别连接所述磁铁阵列三和磁铁阵列四，所述磁铁阵列三和磁铁阵列四中的各个磁铁N极和S极交替排布，与所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四相对的所述装置框架的两内侧壁上设置所述电感应线圈。
2.根据权利要求1所述的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：所述压电装置包括外壳和设置于外壳内的压电材料，所述压电装置的外壳顶部通过螺钉与所述装置框架的顶板连接。
3.根据权利要求2所述的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：所述磁铁阵列一和所述磁铁阵列二均设置于支撑框架内，所述磁铁阵列一的支撑框架通过螺钉连接所述压电装置的外壳的底端，所述磁铁阵列二的支撑框架通过螺钉连接所述装置框架的底板。
4.根据权利要求1所述的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四均设置于支撑框架内，且所述悬臂梁的两端分别连接所述磁铁阵列三的支撑框架和所述磁铁阵列四的支撑框架。
5.根据权利要求4所述的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：所述磁铁阵列三和所述磁铁阵列四的支撑框架的内侧设置插接部，所述悬臂梁的两端插接在所述插接部上。
6.根据权利要求1所述的基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置，其特征在于：所述装置框架通过螺钉固定在所述装置底座上。
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