CN113037134B - 一种可穿戴式多源环境能量俘获装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，包括外壳、太阳能板、平面PCB线圈、轴承、转动质量块、压电悬臂梁、射频天线及TEG热电片，压电悬臂梁垂直于外壳内壁固定于外壳内部，压电悬臂梁包括压电片、悬臂梁、梁上永磁体，压电片固定在悬臂梁表面，梁上永磁体作为质量块放置在悬臂梁的自由端，在外壳顶部中心位置安装一个轴承，轴承外圈安装转动质量块，转动质量块上设置有6个方形致动永磁体，且相邻永磁体安装的极性相反，与悬臂梁上永磁体对应，在转动质量块上方固定有平面PCB线圈，外壳的顶部和底部分别安装太阳能板和TEG热电片，外壁固定射频天线，该装置可以实现振动能、太阳能、热能及射频能量的同时采集。
Description
技术领域
本发明属于环境能量俘获技术领域，具体涉及一种可穿戴式多源环境能量俘获装置。
背景技术
在移动互联网技术的蓬勃发展下，近年来穿戴式设备的发展十分迅速，通过这些设备，人们可以更好的感知外部与自身的信息，能够在计算机和网络的辅助下更好的处理和交流信息。随着集成电路等技术的不断发展，便携式设备的功耗越来越低，提取环境中的能量使其转化为电能为可穿戴式设备供电成为了解决设备的供能问题的有效方法之一。
目前人体和其所属的环境中主要存在振动能，太阳能，热能和射频能量等，利用能量采集技术，设计可穿戴式多源环境能量俘获装置可以实现为智能穿戴式设备供电或者补充能量。不同的能量有着不同的特点，如振动能和射频能量的采集以交流的形式，而热能和太阳能的采集以直流的形式。在多源环境能量俘获装置的设计中，针对不同的能量采集源，需要考虑不同的因素，如光能需要考虑光照强度与波长对能量俘获装置的影响，针对热能的采集，需要考虑热梯度，热通量等因素对能量采集效率的影响，针对无线电波则需要考虑发射源到接收源的距离等因素对采集效率的影响，针对振动能量的采集，需要考虑振动大小和谐振频率等，目前研究最多的振动能量俘获方式有电磁式、压电式等，电磁式振动能量俘获的基本原理是利用法拉第电磁感应定理，永磁体与线圈之间的相对运动使得线圈切割磁场来产生电流从而将振动能转化为电能，压电式振动能量俘获的工作原理是压电材料的压电效应，当压电材料受到机械应力作用而产生形变时，在压电材料的两个面上就会产生开路电压。单一的机电转换机制的俘能器输出功率和转换效率较低，且工作频带较窄，能量俘获效率较低。采用两种方式耦合的形式进行振动能量俘获可以有效的提高机电转换效率。由于线性压电式振动能量俘获器只有与环境振动源发生共振时才能获得较大的电能，否则输出的电能急剧减小。考虑到穿戴式设备，悬臂梁的尺寸较小，其固有共振频率较高。目前人类及其环境中的振动多为低频振动，要采集这种低频振动，需要将低频振动转换为悬臂梁的固有频率振动。
发明内容
本发明的目的：提出一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，采用旋转结构，利用上变频形式将人体及其环境中的低频振动转换为压电式悬臂梁的固有频率振动，解决压电式悬臂梁在人体随机摆动时无法达到共振状态，导致输出电能大幅度减小的问题。同时引入电磁式振动能量采集进一步提高机电转换的效率。同时引入太阳能、热能及射频能量俘获，实现可穿戴式多源环境能量俘获。
为实现本发明，采用的技术方案是：一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，包括外壳（1）、太阳能板（2）、平面PCB线圈（3）、轴承（4）、转动质量块（5）、压电悬臂梁（6）、射频天线（7）、TEG热电片（8）。压电悬臂梁（6）垂直于外壳（1）内壁固定于外壳（1）内部，所述的压电悬臂梁（6）包括压电片（9）、悬臂梁（10）以及梁上永磁体（11），所述的压电片（9）固定于悬臂梁（10）的表面，所述的梁上永磁体（11）放置在悬臂梁（10）的自由端，所述的轴承（4）安装在外壳（1）顶部的中心位置处，所述的转动质量块（5）安装在轴承（4）外圈，可以绕外壳（1）的中心轴旋转，所述的转动质量块（5）包括轻质材料支架（12）、配重质量块（13）和6个方形致动永磁体（14），所述的方形致动永磁体（14）距离外壳（1）中轴线的距离与压电悬臂梁（6）上的梁上永磁体（11）距离外壳（1）中轴线的距离相等，外界的低频振动带动转动质量块（5）的甩动，所述的平面PCB线圈（3）固定在转动质量块（5）的上方，外壳（1）的内部，且与转动质量块（5）平行，所述的太阳能板（2）固定在外壳（1）顶部，所述的TEG热电片（8）固定在外壳（1）底部，一面与环境接触，一面与人体表面接触，所述的射频天线（7）安装在外壳（1）的外壁。所述的转动质量块（5）随着外部低频运动在360°范围内甩动，转动质量块（5）上的方形致动永磁体（14）在经过悬臂梁（10）自由端的梁上永磁体（11）时将对其产生磁场作用力，该非线性作用力会引起悬臂梁（10）以固有频率衰减振动，将低频的人体及环境中的振动转换成悬臂梁（10）工作频带的上变频振动，从而使所述的压电片（9）产生形变，实现压电式振动能量采集。所述的平面PCB线圈（3）固定于外壳（1）顶部内侧，转动质量块（5）上方，且与轻质材料支架（12）平行，转动质量块（5）甩动的过程中，方形致动永磁体（14）切割所述的平面PCB线圈（3），实现电磁式振动能量采集。所述的太阳能板（2）安装在外壳（1）顶部外侧，实现太阳能采集。所述的TEG热电片（8）安装在外壳（1）底部，其中一面与人体表面接触，利用人体与环境中存在温差实现热能采集。所述的射频天线（7）固定于外壳（1）表面，实现射频能量采集。
本发明的有益效果：
1.本发明采用非接触式的磁力耦合作用，将低频振动转换到悬臂梁的固有频率的高频振动，实现工作频带的上变频。2.采用压电-电磁耦合共振的方式，拓宽有效俘能带宽，提高机电转换效率。3.引入太阳能、热能及射频能量俘获，实现可穿戴式多源环境能量俘获。
附图说明
图1为本发明一种可穿戴式多源环境能量俘获装置的安装示意图；
图2为本发明的前视图；
图3为本发明的剖面视图；
图4为本发明的压电-电磁耦合的振动能量俘获结构示意图；
图5为本发明的振动能量俘获运动过程示意图；
图6为本发明的太阳能、射频能量及热能俘获过程示意图；
其中：1：外壳；2：太阳能板；3：平面PCB线圈；4：轴承；5：转动质量块；6：压电悬臂梁；7：射频天线；8：TEG热电片；9：压电片；10：悬臂梁；11：梁上永磁体；12：轻质材料支架；13：配重质量块；14：方形致动永磁体。
具体实施方式
一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，包括外壳（1）、太阳能板（2）、平面PCB线圈（3）、轴承（4）、转动质量块（5）、压电悬臂梁（6）、射频天线（7）、TEG热电片（8），其特征在于，压电悬臂梁（6）垂直于外壳（1）内壁固定于外壳（1）内部，所述的压电悬臂梁（6）包括压电片（9）、悬臂梁（10）以及梁上永磁体（11），所述的压电片（9）固定于悬臂梁（10）的表面，所述的梁上永磁体（11）放置在悬臂梁（10）的自由端，所述的轴承（4）安装在外壳（1）顶部的中心位置处，所述的转动质量块（5）安装在轴承（4）外圈，可以绕外壳（1）的中心轴旋转，所述的转动质量块（5）包括轻质材料支架（12）、配重质量块（13）和6个方形致动永磁体（14），所述的方形致动永磁体（14）距离外壳（1）中轴线的距离与压电悬臂梁（6）上的梁上永磁体（11）距离外壳（1）中轴线的距离相等，外界的低频振动带动转动质量块（5）的甩动，所述的平面PCB线圈（3）固定在转动质量块（5）的上方，外壳（1）的内部，所述的太阳能板（2）固定在外壳（1）顶部，所述的TEG热电片（8）固定在外壳（1）底部，一面与环境接触，一面与人体表面接触，所述的射频天线（7）安装在外壳（1）的外壁，该装置可以实现环境及人体中的振动能、太阳能、热能及射频能量的同时采集。
工作原理：转动质量块（5）随着外部低频运动在360°范围内甩动，转动质量块（5）上的方形致动永磁体（14）在经过悬臂梁（10）自由端的梁上永磁体（11）时将对其产生磁场作用力，该非线性作用力会引起悬臂梁（10）以固有频率衰减振动，将低频的人体及环境中的振动转换成悬臂梁（10）工作频带的上变频振动，从而使所述的压电片（9）产生形变，实现压电式振动能量采集。平面PCB线圈（3）固定于外壳（1）顶部内侧，转动质量块（5）上方，且与轻质材料支架（12）平行，转动质量块（5）甩动的过程中，方形致动永磁体（14）切割所述的平面PCB线圈（3），实现电磁式振动能量采集。太阳能板（2）安装在外壳（1）顶部外侧，实现太阳能采集。TEG热电片（8）安装在外壳（1）底部，其中一面与人体表面接触，一面与环境接触，利用人体与环境中存在温差实现热能采集。射频天线（7）固定于外壳（1）表面，实现射频能量采集。
优选的，所述的转动质量块（5） 是由轻质材料制成的轻质材料支架（12），在边缘处安装配重质量块（13）增加转动质量块（5）的转动惯量，配重质量块（13）可以是铁块或者铜块。
优选的，所述的转动质量块（5）上的方形致动永磁体（14）的磁极方向相反。
优选的，所述的梁上永磁体（11）和方形致动永磁体（14）可以是铁氧体磁体或者稀土永磁体。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互结合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，包括外壳(1)、太阳能板(2)、平面PCB线圈(3)、轴承(4)、转动质量块(5)、压电悬臂梁(6)、射频天线(7)、TEG热电片(8)，其特征在于，压电悬臂梁(6)垂直于外壳(1)内壁固定于外壳(1)内部，所述的压电悬臂梁(6)包括压电片(9)、悬臂梁(10)以及梁上永磁体(11)，所述的压电片(9)固定于悬臂梁(10)的表面，所述的梁上永磁体(11)放置在悬臂梁(10)的自由端，所述的轴承(4)安装在外壳(1)顶部的中心位置处，所述的转动质量块(5)安装在轴承(4)外圈，同时也安装在压电悬臂梁(6)的上方，可以绕外壳(1)的中心轴旋转，所述的转动质量块(5)包括轻质材料支架(12)、配重质量块(13)和6个方形致动永磁体(14)，轻质材料支架(12)作为转动支架进行支撑，每个轻质材料支架(12)的中间等距离的位置设置方形致动永磁体(14)，且边缘处设置配重质量块(13)，所述的方形致动永磁体(14)距离外壳(1)中轴线的距离与压电悬臂梁(6)上的梁上永磁体(11)距离外壳(1)中轴线的距离相等，外界的低频振动带动转动质量块(5)的甩动，所述的平面PCB线圈(3)固定在外壳(1)内部，同时设置转动质量块(5)的上方，且与转动质量块(5)平行，所述的太阳能板(2)固定在外壳(1)顶部，所述的TEG热电片(8)固定在外壳(1)底部，一面与环境接触，一面与人体表面接触，所述的射频天线(7)安装在外壳(1)的外壁，该装置可以实现环境及人体中的振动能、太阳能、热能及射频能量的同时采集。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的转动质量块(5)随着外部低频运动在360°范围内甩动，转动质量块(5)上的方形致动永磁体(14)在经过悬臂梁(10)自由端的梁上永磁体(11)时将对其产生磁场作用力，磁场作用力会引起悬臂梁(10)以固有频率衰减振动，将低频的人体及环境中的振动转换成悬臂梁(10)工作频带的上变频振动，从而使所述的压电片(9)产生形变，实现压电式振动能量采集。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的转动质量块(5)是由轻质材料制成的轻质材料支架(12)，在转动质量块(5)边缘处设置了配重质量块(13)，配重质量块(13)为铁块或者铜块，同时在转动质量块(5)边缘处等间距放置6个方形致动永磁体(14)，且相邻两块之间安装极性相反。
4.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的平面PCB线圈(3)固定于转动质量块(5)上方，外壳(1)内部，且与转动质量块(5)平行，转动质量块(5)甩动的过程中，方形致动永磁体(14)切割所述的平面PCB线圈(3)，实现电磁式振动能量采集。
5.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的太阳能板(2)安装在外壳(1)顶部外侧，实现太阳能采集。
6.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的TEG热电片(8)安装在外壳(1)底部，其中一面与人体表面接触，一面与环境接触，利用人体与环境中存在温差实现热能采集。
7.根据权利要求1所述的一种可穿戴式多源环境能量俘获装置，其特征在于，所述的射频天线(7)固定于外壳(1)表面，实现射频能量采集。
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