CN112564541B - 一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，包括电磁模块、摩擦电模块和弹簧质量模块；电磁模块包括外壳、磁铁框架、磁铁阵列、线圈阵列、线圈框架和线圈导磁柱，弹簧质量模块包括弹簧、质量块和两个端盖，摩擦电模块包括多个依次连接的纳米摩擦发电单元；当能量收集器受到激励后，磁体组件产生运动，根据法拉第电磁感应定律，电磁模块产生电压。因外部激励而产生的磁体组件运动也会使每个摩擦电单元之间发生接触和分离，并产生电压。由于能量收集器设计有较低的共振频率，因此可以有效从人体运动中收集能量。

Description

一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器。
背景技术
今年来人类对于能源的需求和消耗与日俱增，然而如石油，煤炭和各类化学电池等传统能源具有许多固有缺点，比如环境污染、使用寿命有限等。为了弥补这些缺点，从周围环境中收集能量变成了人们研究的一个前沿热点，如太阳能，风能，潮汐能等。这其中，对于在便携式电子设备中已显示出优秀潜力的小型能量转换方式——压电、电磁或摩擦电能量收集方法正备受关注。
对于我们周围常见的可持续能源，如风，人体运动或潮汐等，大多是低频振动尤其是人体运动(频率通常低于10赫兹)，其中蕴藏了大量的振动能量可供收集。但现有的大部分能量收集器的目标工作区间都是数十赫兹到数百赫兹的中高频区间，很少有研究涉及低频振动的能量收集。因此设计出一种能以极低共振频率从人体运动等低频可持续能源中获取能量的的能量收集装置的要求就显得很迫切。
纳米摩擦发电机就在这种情况下引起了人们的注意，这是一种基于麦克斯韦转移电荷的新型能量收集和传感技术。纳米摩擦发电机具有较低的工作频率和较高的功率密度。然而纳米摩擦发电机的输出电压高，输出电流小，不好集成。而电磁式能量收集器的输出电流大，输出功率高。因此摩擦电和电磁式可以相互配合，构成混合式能量收集器。两种方式的混合可以提高能量收集效率，从而使系统中更多的机械能转化为电能。
由此可见，设计并开发一种电磁和摩擦电混合式能量收集器，是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，以解决上述现有技术存在的问题，这种混合能量收集器能够将电磁能量收集和摩擦电能量收集相结合，能够充分得利用低频的人体运动收集振动能量并产生较大的输出功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，包括电磁模块、摩擦电模块和弹簧质量模块；
所述电磁模块包括外壳、磁铁框架、磁铁阵列、线圈阵列、线圈框架和线圈导磁柱；所述外壳包括顶盖和底盖，所述顶盖罩于所述底盖的顶部，所述磁铁框架设置于所述顶盖和所述底盖之间，所述磁铁框架的顶部和底部分别于所述顶盖和所述底盖滚动连接，所述磁铁阵列设置于所述磁铁框架内，所述磁铁框架的前后端分别设置有一所述线圈框架，所述线圈框架的外侧设置有限位部，所述限位部夹持于所述顶盖和所述底盖之间，两个所述线圈框架的内部设置有由多个线圈构成的线圈阵列，各个线圈通过线圈导磁柱与所述线圈框架连接；
所述弹簧质量模块包括弹簧、质量块和两个端盖，两个所述端盖分别设置于所述外壳的两侧，两个所述端盖的内侧均通过弹簧连接有一所述质量块，两个所述质量块的内侧通过所述摩擦电模块分别连接所述磁铁框架的两侧端面；所述摩擦电模块包括多个依次连接的纳米摩擦发电单元。
优选地，所述外壳为矩形外壳。
优选地，所述磁铁框架的顶部和底部分别设置有多个导向孔，每个导向孔内滚动安装有导向球，所述顶盖和所述底盖的内侧设置有导向槽，所述导向球凸出于所述导向孔的部分与所述导向槽滚动连接。
优选地，构成磁铁阵列的各个磁铁N极、S极交替排布。
优选地，所述线圈框架上设置有与各个线圈相对的插孔，所述线圈导磁柱插接在所述插孔和所述线圈的通孔内。
优选地，所述端盖和质量块相对的内侧均开有直径与弹簧直径相同、深度与弹簧线径相同的限位槽，弹簧的两端置于弹簧槽内，并分别被弹簧挡板固定。
优选地，各个所述纳米摩擦发电单元之间呈之字形连接。
优选地，所述纳米摩擦发电单元由聚酰亚胺构成基板，聚酰亚胺上黏贴一层不导电双面胶，将用作电极的收集电荷的铜片放在双面胶上，并在铜片上焊接一根导线以提取电荷，再将摩擦电材料层通过导电双面胶黏贴在铜片上，所述摩擦电材料层包括尼龙层和特氟龙层，所述尼龙层和所述特氟龙层的厚度均为50μm，有效面积为120mm2。
优选地，两个所述端盖通过螺钉安装在所述外壳的两端，所述端盖与所述外壳之间还设置有垫圈。
优选地，所述线圈阵列与所述磁铁极性面之间的距离为0.5mm。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，将电磁模块和摩擦电模块结合起来，以获取较低的共振频率(低于10Hz)，以此能够在较低的振动频率下收集能量，以此达到收集低频人体运动能量的目的。
2、本发明提供的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，将电磁能量收集技术和摩擦电能量收集技术进行结合，混合动力系统的综合性能要优于每个单独的动力系统。
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为本发明中用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器隐藏顶盖后的俯视图；
图2为本发明中用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器的爆炸图；
图3为本发明中电磁模块的爆炸图；
图4为本发明中单个弹簧质量模块的结构示意图；
图5为本发明中用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器的装配图；
图中：101-电磁模块、102-摩擦电模块、103-弹簧质量模块；
1-顶盖、2-导向球、3-线圈导磁柱、4-线圈阵列、5-线圈框架、6-磁铁框架、7-纳米摩擦发电单元、8-质量块、9-弹簧挡板、10-弹簧、11-垫圈、12-弹簧挡板、13-端盖、14-底盖、15-导向球、16-线圈导磁柱、17-线圈框架、18-线圈阵列、19-磁铁阵列、20-纳米摩擦发电单元、21-质量块、22-弹簧挡板、23-弹簧、24-垫圈、25-弹簧挡板、26-端盖。
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用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，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。
本实施例中的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，如图1-5所示，包括电磁模块101、摩擦电模块102和弹簧质量模块103；
电磁模块101包括矩形的外壳、磁铁框架6、磁铁阵列19、线圈阵列4、线圈阵列18、线圈框架5、线圈框架17、线圈导磁柱13和线圈导磁柱16；外壳包括顶盖1和底盖14，顶盖1罩于底盖14的顶部，磁铁框架6设置于顶盖1和底盖之间，磁铁框架6的顶部和底部分别于顶盖1和底盖14滚动连接，磁铁阵列19设置于磁铁框架6内，磁铁框架6的前后端分别设置有线圈框架17和线圈框架5，线圈框架17和线圈框架5的外侧设置有限位部，限位部夹持于顶盖1和底盖14之间，线圈框架17和线圈框架5的内部设置有由多个线圈构成的线圈阵列18和线圈阵列4，线圈阵列18和线圈阵列4的各个线圈通过线圈导磁柱16和线圈导磁柱3与线圈框架17和线圈框架5连接；
弹簧质量模块103包括弹簧10、弹簧23、质量块8、质量块21、端盖13和端盖26，端盖13和端盖26分别设置于外壳的两侧，端盖13和端盖26的内侧分别通过弹簧10、弹簧23连接质量块8和质量块21，质量块8和质量块21的内侧通过摩擦电模块102分别连接磁铁框架6的两侧端面；摩擦电模块102包括多个依次连接的纳米摩擦发电单元7和纳米摩擦发电单元20。
于本具体实施例中，磁铁框架6的顶部和底部分别设置有3个导向孔，顶部的导向孔内滚动安装有导向球2，底部的导向孔内滚动安装有导向球15，顶盖1和底，14的内侧设置有导向槽，导向球2和导向球15凸出于导向孔的部分与导向槽滚动连接。
于本具体实施例中，磁铁阵列19包括3块磁铁，磁铁在磁铁框架6内N极、S极交替排布；线圈框架5和线圈框架17内分别设置有4个线圈。线圈框架5和线圈框架17上设置有与各个线圈相对的4个插孔，线圈导磁柱13和线圈导磁柱16插接在插孔和线圈的通孔内，实现线圈框架与线圈的连接。
于本具体实施例中，端盖13与质量块8相对的内侧，端盖26和质量块21相对的内侧，均开有直径与弹簧直径相同、深度与弹簧线径相同的限位槽，弹簧10、弹簧23的两端置于弹簧槽内，且弹簧10的两端通过弹簧挡板12和弹簧挡板9固定，弹簧23的两端通过弹簧挡板25和弹簧挡板22固定。
于本具体实施例中，各个纳米摩擦发电单元7之间呈之字形连接，各个纳米摩擦发电单元20之间也呈之字形连接。纳米摩擦发电单元7和纳米摩擦发电单元20由聚酰亚胺构成基板，聚酰亚胺上黏贴一层不导电双面胶，将用作电极的收集电荷的铜片放在双面胶上，并在铜片上焊接一根导线以提取电荷，再将摩擦电材料层通过导电双面胶黏贴在铜片上，摩擦电材料层包括尼龙层和特氟龙层，尼龙层和特氟龙层的厚度均为50μm，有效面积为120mm2。
于本具体实施例中，端盖13和端盖26通过螺钉安装在外壳的两端，端盖13与外壳之间还设置有垫圈11，端盖26与外壳之间还设置有垫圈24。
于本具体实施例中，线圈阵列4、线圈阵列18与磁铁极性面之间的距离为0.5mm。单个线圈导磁柱的尺寸为3.9mm×3.9mm×3mm，材料为钛合金；磁铁框架6外形尺寸为10mm×16mm×38mm，内部尺寸为10mm×10mm×30mm，材料为钛合金。
本发明中的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器的工作原理如下：
当电磁摩擦电混合能量收集器受到外部激励后，磁铁框架7带动着磁铁阵列19在导向球阵列2和导向球阵列15的辅助下在外壳1和外壳14的导向槽内运动，线圈阵列4和线圈阵列18切割磁感线产生感应电动势。另一方面磁铁框架7沿着导向槽方向的运动使得纳米摩擦发电单元8和纳米摩擦发电单元20发生周期性的接触和分离，从而产生电压。在激励运动过程中，弹簧模块起到限制运动幅度和将外界低频振动转化为高频振动的作用。
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 (10)

1.一种用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：包括电磁模块、摩擦电模块和弹簧质量模块；
所述电磁模块包括外壳、磁铁框架、磁铁阵列、线圈阵列、线圈框架和线圈导磁柱；所述外壳包括顶盖和底盖，所述顶盖罩于所述底盖的顶部，所述磁铁框架设置于所述顶盖和所述底盖之间，所述磁铁框架的顶部和底部分别于所述顶盖和所述底盖滚动连接，所述磁铁阵列设置于所述磁铁框架内，所述磁铁框架的前后端分别设置有一所述线圈框架，所述线圈框架的外侧设置有限位部，所述限位部夹持于所述顶盖和所述底盖之间，两个所述线圈框架的内部设置有由多个线圈构成的线圈阵列，各个线圈通过线圈导磁柱与所述线圈框架连接；
所述弹簧质量模块包括弹簧、质量块和两个端盖，两个所述端盖分别设置于所述外壳的两侧，两个所述端盖的内侧均通过弹簧连接有一所述质量块，两个所述质量块的内侧通过所述摩擦电模块分别连接所述磁铁框架的左右两侧端面；所述摩擦电模块包括多个依次连接的纳米摩擦发电单元；
各个所述纳米摩擦发电单元之间呈V字形连接，所述纳米摩擦发电单元为由聚酰亚胺构成的基板，所述聚酰亚胺上黏贴一层不导电双面胶，将用作电极的收集电荷的铜片放在双面胶上，并在铜片上焊接一根导线以提取电荷，再将摩擦电材料层通过导电双面胶黏贴在铜片上。
2.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述外壳为矩形外壳。
3.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述磁铁框架的顶部和底部分别设置有多个导向孔，每个导向孔内滚动安装有导向球，所述顶盖和所述底盖的内侧设置有导向槽，所述导向球凸出于所述导向孔的部分与所述导向槽滚动连接。
4.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：构成磁铁阵列的各个磁铁N极、S极交替排布。
5.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述线圈框架上设置有与各个线圈相对的插孔，所述线圈导磁柱插接在所述插孔和所述线圈的通孔内。
6.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述端盖和质量块相对的内侧均开有直径与弹簧直径相同、深度与弹簧线径相同的限位槽，弹簧的两端置于弹簧槽内，并分别被弹簧挡板固定。
7.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：各个所述纳米摩擦发电单元之间呈V字形连接。
8.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述纳米摩擦发电单元由聚酰亚胺构成基板，聚酰亚胺上黏贴一层不导电双面胶，将用作电极的收集电荷的铜片放在双面胶上，并在铜片上焊接一根导线以提取电荷，再将摩擦电材料层通过导电双面胶黏贴在铜片上，所述摩擦电材料层包括上下分层设置的尼龙层和特氟龙层，所述尼龙层和所述特氟龙层的厚度均为50μm，有效面积为120mm2。
9.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：两个所述端盖通过螺钉安装在所述外壳的两端，所述端盖与所述外壳之间还设置有垫圈。
10.根据权利要求1所述的用于低频运动的电磁摩擦电混合式能量收集器，其特征在于：所述线圈阵列与所述磁铁极性面之间的距离为0.5mm。
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