CN113162471A - 一种非线性压电-电磁复合能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非线性压电‑电磁复合能量收集装置，包括压电模块和电磁模块，压电模块包括基座、悬臂梁弹性基体和压电元件，基座的右表面固设有两个平行设置的悬臂梁弹性基体，悬臂梁弹性基体的上下表面上均粘接有压电元件，且压电元件的左端与基座的右表面抵接，悬臂梁弹性基体的右端设置有圆孔；电磁模块包括，两个永磁铁和四个线圈，永磁铁穿设于圆孔内，且两个永磁铁之间互相排斥，永磁铁的外周面上缠绕有分别置于悬臂梁弹性基体上下两侧的两组线圈。本发明结构简单，方便阵列，并可充分利用磁铁的磁场提高发电功率。
Description
技术领域
本发明涉及压电-电磁复合能量收集结构技术领域，尤其是一种非线性压电-电磁复合能量收集装置。
背景技术
近年来，微机电系统（MEMS）和无线传感器网络（WSN）的发展对电源的寿命提出了更高的要求。传统电源的使用时间与设备的工作寿命相比非常短，更换电源或者给电源充电很麻烦，还会造成环境污染，有时更换电源也是不可能更换的，因此，越来越多的研究人员开始寻找替代能源。在现有的环境资源中，振动能是环境中普遍存在的能量，将振动能转换为电能已引起了广泛的关注。
一般将振动能量转换为电能的方式主要有静电式，电磁式，压电式，其中压电能量采集因其结构简单，能量密度高而受到人们的广泛关注。在压电能量收集装置中，悬臂梁结构简单，应用最为广泛。当外部环境的激励频率接近于梁的固有频率时，压电能量收集装置才能有效输出电能。但是，实际环境中的振动频率很难固定在某一频率附近，因此悬臂梁结构工作频带窄，发电效率低。为了提高工作带宽和发电效率，常用的方法是利用非线性装置和压电-电磁复合装置。非线性装置常在压电梁末端增加永磁体，并在其周围固定一个永磁体或者增加另一个带有末端永磁体的压电梁，通过磁体间的非线性作用力提高带宽。压电-电磁复合式结合压电式与电磁式，在压电梁末端增加永磁体，并在其周围固定线圈，通过压电和电磁两种方式提高工作带宽和效率。非线性装置虽然提高了工作带宽和效率，但其对永磁体磁场的利用不够充分。已有的压电-电磁复合式发电装置需要在永磁体的周围固定线圈，增加了装置的体积，使得收集装置难以小型化和阵列，不能充分利用空间。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供结构简单，方便阵列，并可充分利用磁铁的磁场提高发电功率的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，包括压电模块和电磁模块，所述压电模块包括基座、悬臂梁弹性基体和压电元件，所述基座的右表面固设有两个平行设置的悬臂梁弹性基体，所述悬臂梁弹性基体的上下表面上均粘接有压电元件，且所述压电元件的左端与所述基座的右表面抵接，所述悬臂梁弹性基体的右端设置有圆孔；
所述电磁模块包括两个永磁铁和四个线圈，所述永磁铁穿设于所述圆孔内，且两个所述永磁铁之间互相排斥，所述永磁铁的外周面上缠绕有分别置于所述悬臂梁弹性基体上下两侧的两组线圈。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述悬臂梁弹性基体采用弹性金属材料制成。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述压电元件采用压电陶瓷片或压电薄膜制成，同一个所述悬臂梁弹性基体上下两侧的所述压电元件之间并联。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述永磁铁为圆柱形钕铁硼永磁铁，且所述永磁铁的外径与所述圆孔的内径相等。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述线圈的内径与所述永磁铁的外径相等，所述线圈的外径与所述悬臂梁弹性基体的宽度相等，且缠绕于同一个所述永磁铁上的两个所述线圈之间串联。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述永磁铁和缠绕于同一个所述永磁铁上的两个所述线圈相对于所述悬臂梁弹性基体上下对称。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明设计了一种线圈随悬臂梁运动的结构，保留了传统非线性压电装置提高工作带宽和功率的特点，又能充分利用磁铁的磁场，使用线圈来发电。并且，本装置不需要额外的空间和基座来固定线圈，使得装置结构简单，发电效率高，可以小型化，更方便实现阵列，应用更加方便。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是本发明装置的悬臂梁弹性基体示意图；
图3是本发明的压电梁结构示意图；
图4是本发明的永磁体安装示意图；
图5是本发明的线圈安装示意图。
其中，1、基座，2、悬臂梁弹性基体，3、压电元件，4、永磁铁，5、线圈，6、圆孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，包括压电模块和电磁模块，压电模块包括基座1、悬臂梁弹性基体2和压电元件3，基座1的右表面固设有两个平行设置的悬臂梁弹性基体2，悬臂梁弹性基体2的上下表面上均粘接有压电元件3，且压电元件3的左端与基座1的右表面抵接，悬臂梁弹性基体2的右端设置有圆孔6；
电磁模块包括，两个永磁铁4和四个线圈5，永磁铁4穿设于圆孔6内，且两个永磁铁4之间互相排斥，永磁铁4的外周面上缠绕有分别置于悬臂梁弹性基体2上下两侧的两组线圈5。
如图2所示，悬臂梁弹性基体2的右端为自由端，自由端上设置有一圆孔6，孔的直径等于圆柱形永磁铁4的直径，永磁铁4从悬臂梁弹性基体2的圆孔6中穿过，用胶将悬臂梁弹性基体2与永磁铁4粘合固定，悬臂梁弹性基体2的上下表面预留出相同高度的永磁铁4，便于线圈5的制作安装以及装置的阵列扩展。
如图3所示，悬臂梁弹性基体2的左端为固定端，固定端的上下表面分别粘贴一个压电元件3，为了获得较大的发电电流，同一悬臂梁弹性基体2的上下表面的两个压电元件3采用并联的方式，即压电元件3的极化方向串联，如图3所示，+和-代表压电元件3的极化方向。
如图4所示，圆柱形永磁铁4穿过悬臂梁弹性基体2的自由端的圆孔6，悬臂梁弹性基体2上下表面的露出的永磁铁4周围缠绕线圈5，永磁铁4和缠绕于同一个永磁铁4上的两个线圈5相对于悬臂梁弹性基体2上下对称。
如图5所示，线圈5缠绕在永磁铁4的表面，上下各有一个线圈5，永磁铁4中间没有缠绕线圈5的部分是悬臂梁弹性基体2的厚度；为了获得较高的电压，同一永磁铁4上的两个线圈5采用串联的方式。
工作原理：
工作时，悬臂梁弹性基体2受到外界激励产生振动，悬臂梁弹性基体2发生弯曲，带动固定端的压电元件3发生变形，由于压电效应，压电元件3表面会形成电势差，可以通过导线将电能传输到储能装置。当外界激励频率接近某一压电梁的固有频率时，压电梁就会产生共振发生较大的振幅，由于自由端永磁铁4的排斥作用力，就会带动另一压电梁产生较大的振幅，从而提高系统的发电功率和有效工作带宽。当压电梁振动时，两悬臂梁弹性基体2的自由端的永磁铁4就会发生相对位移，从而磁场强度发生变化，缠绕在永磁铁4周围的线圈5就会产生感应电动势，有效的提高了系统的发电功率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：包括压电模块和电磁模块，所述压电模块包括基座（1）、悬臂梁弹性基体（2）和压电元件（3），所述基座（1）的右表面固设有两个平行设置的悬臂梁弹性基体（2），所述悬臂梁弹性基体（2）的上下表面上均粘接有压电元件（3），且所述压电元件（3）的左端与所述基座（1）的右表面抵接，所述悬臂梁弹性基体（2）的右端设置有圆孔（6）；
所述电磁模块包括两个永磁铁（4）和四个线圈（5），所述永磁铁（4）穿设于所述圆孔（6）内，且两个所述永磁铁（4）之间互相排斥，所述永磁铁（4）的外周面上缠绕有分别置于所述悬臂梁弹性基体（2）上下两侧的两组线圈（5）。
2.根据权利要求1所述的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁弹性基体（2）采用弹性金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：所述压电元件（3）采用压电陶瓷片或压电薄膜制成，同一个所述悬臂梁弹性基体（2）上下两侧的所述压电元件（3）之间并联。
4.根据权利要求1所述的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：所述永磁铁（4）为圆柱形钕铁硼永磁铁，且所述永磁铁（4）的外径与所述圆孔（6）的内径相等。
5.根据权利要求1所述的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：所述线圈（5）的内径与所述永磁铁（4）的外径相等，所述线圈（5）的外径与所述悬臂梁弹性基体（2）的宽度相等，且缠绕于同一个所述永磁铁（4）上的两个所述线圈（5）之间串联。
6.根据权利要求5所述的一种非线性压电-电磁复合能量收集装置，其特征在于：所述永磁铁（4）和缠绕于同一个所述永磁铁（4）上的两个所述线圈（5）相对于所述悬臂梁弹性基体（2）上下对称。
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|---|---|---|---|---|
| CN113783470A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-12-10 | 青岛海月辉科技有限公司 | 一种基于两端固定梁的磁场能量收集器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105226994A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-01-06 | 张文明 | 多频耦合振动能量俘获器 |
| CN105958865A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-09-21 | 南京邮电大学 | 基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置 |
| CN106982006A (zh) * | 2017-05-08 | 2017-07-25 | 南京邮电大学 | 一种基于导磁材料的压电‑电磁复合式振动能量俘获装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105226994A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-01-06 | 张文明 | 多频耦合振动能量俘获器 |
| CN105958865A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-09-21 | 南京邮电大学 | 基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置 |
| CN106982006A (zh) * | 2017-05-08 | 2017-07-25 | 南京邮电大学 | 一种基于导磁材料的压电‑电磁复合式振动能量俘获装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113783470A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-12-10 | 青岛海月辉科技有限公司 | 一种基于两端固定梁的磁场能量收集器 |
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