CN113315414B - 一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，属于压电发电及可持续发展新能源技术领域。由弹性放大器、双稳态压电能量采集装置、电磁发电装置、调频装置、悬臂梁、压电陶瓷、底座、正极导线、负极导线组成。本发明所采用的弹性放大器可有效提高振动的幅值，增加能量收集效率，调频装置能有效的对发电装置的固有频率进行调节，将所设计的发电装置的固有频率与周围环境的振动频率完全匹配，实现输出电能最大化，双稳态压电能量采集装置能有效的实现宽频带压电能量采集，能够有效的实现压电电磁复合发电，增加能量收集效率，装置结构简单，成本较低且易于推广。
Description
技术领域
本发明为一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，可有效采集环境中的振动能量并转化为电能，属于压电发电及可持续发展新能源技术领域。
背景技术
随着集成电路的发展，电器设备的体积和功耗急剧下降。进入21世纪，全球的经济蒸蒸日上，对能源的消耗也日趋增加。由于传统能源的总量是有一定限度的，并且传统能源的大规模使用也会带来一系列环境污染的问题。因此，从周围环境中俘获能量的研究具有非常重要的现实意义，周围环境中主要存在太阳能、风能、振动能量等。环境中振动能量广泛存在于生产生活中的方方面面，大到海浪冲击堤岸和各种工程机械在施工过程中产生的振动，小到桥梁在车辆经过时产生的振动以及车辆本身产生的振动。振动能量的采集与转换不会受到天气、温度、湿度和光线等外界因素制约，利用环境振动能量的压电发电装置，其结构简单、易于集成、环境适应能力强等优点使其成为无线传感器或某些自供能领域最佳选择。这些振动能量可以通过正压电效应或者电磁效应转化为电能。该技术有望成为解决无线传感器能量供应问题的一个潜在候选技术。
公开号为CN 109391171 A，标题为“一种风致振动压电电磁复合发电装置”的发明公开了一种利用风能发电的压电电磁复合发电装置。该发明利用风力驱动滑块连杆机构做往复直线运动，悬臂杆在左右两侧的交变磁力的作用下发生大幅振动，柔性压电材料发生形变，产生电能。该发明工艺简单，成本低，但是风轮两侧同时承受风力冲击，风轮转动方向不稳定且不平衡，容易发生失效。
公开号为CN109995270 A，标题为“一种磁力耦合多梁压电俘能装置及其双稳态实现方法”的发明公开了一种利用磁力发电的方法。该发明在外界基础激励下，可带动装置产生非线性振动，完成压电发电。该发明结构简单，容易实现，但是在外界激励作用下，L形梁更容易发生断裂，当外界激励比较大时，该装置使用寿命会很短。
公开号为CN 107508495 A，标题为“一种压电电磁式振动发电装置”的发明公开了一种利用压电材料和电磁感应复合发电的装置。在环境振动激励和磁力的共同作用下使压电悬臂梁发生复杂的运动，产生较大的电能。该发明将双稳态压电发电与电磁发电有效的结合相互补充，大大提高了系统整体的机电转换效率，极大提高了系统的发电能力。
为了克服以上缺点，本发明基于拓宽发电装置工作频带和调节发电装置固有频率的两种方案上提出一种新的方案，在调节频率的同时拓宽发电装置的工作频带。发明了一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，本发明结构简单，容易实现，有效的拓宽了发电装置的工作频带，极大的提高了装置的发电效率。
发明内容
将环境振动的能量转化为电能需要环境振动与发电装置结构之间的良好耦合，当周围环境的振动频率与所设计的发电装置的固有频率完全匹配时，就能获得最佳的耦合。本发明的目的是为了得到输出电能最大化，基于在调频的同时拓宽采集装置工作频带，提出来一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置。
一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，包括弹性放大器、双稳态压电能量采集装置、电磁发电装置、调频装置、悬臂梁压电能量采集装置、压电陶瓷、底座、正极导线、负极导线；
其中，悬臂梁压电能量采集装置、双稳态压电能量采集装置、调频装置、电磁发电装置、底座的数量均为1个；正极导线和负极导线的数量均为2根；弹性放大器数量为3个；压电陶瓷数量为4片；
弹性放大器由放大框、弹簧组成的。其中，弹簧数量为3个，放大框有两个侧板和一个挡板、一个底板组成。弹性放大器各部位的安装及连接关系如下：侧板和挡板、底板通过焊接连接，弹簧和放大框的连接方式通过焊接相连。
双稳态压电能量采集装置由外伸梁、压电陶瓷、磁铁、螺杆、螺母、手轮组成。其中，外伸梁、螺杆、螺母、手轮数量均为1个，压电陶瓷、磁铁的数量均为2个。双稳态压电能量采集装置各部位的安装及连接关系如下：磁铁通过焊接与螺杆和外伸梁相连，螺杆与螺母以及手轮通过螺纹连接，外伸梁上下表面都通过刚性夹具夹持一层压电陶瓷。
调频装置是由可移动小车和单片机控制器组成。其中，可移动小车和单片机控制器数量均为1个。将环境振动的能量转化为电能需要环境振动与发电装置结构之间的良好耦合，当周围环境的振动频率与所设计的发电装置的固有频率完全匹配时，就能获得最佳的耦合。利用可移动小车的运动不断调节系统的刚度，小车的运动受单片机控制器的控制，从而调节所设计的发电装置的固有频率，将所设计的发电装置的固有频率与周围环境的振动频率完全匹配，实现输出电能最大化。
悬臂梁压电能量采集装置在振动过程中通过正压电效应将振动能量转化为电能，根据所输出的电能大小可以得出环境中的振动频率，将产生的电能供给可移动小车上的驱动电机，小车上安装有单片机控制器，根据输出的电能大小来调节小车的运动方向和运动位移，进而实现发电装置频率的调节。
电磁发电装置由磁铁、线圈、立柱组成的。其中，磁铁的数量为3个，线圈数量为N圈，立柱数量为3个。电磁发电装置各部位的安装及连接关系如下：在每个弹簧上缠绕N圈线圈，底板上的立柱和底板通过焊接连接，立柱上的磁铁通过磁力吸附在立柱上。
各个模块的安装及连接关系如下：底板应安装在存在振动的振源上，采用螺纹连接；弹性放大器是由一个放大框和三个弹簧组成，放大框和底板通过弹簧连接；外伸梁通过铰链和调频装置安装在放大框上，外伸梁上的磁铁焊接在外伸梁上；螺杆和手轮以用螺纹连接，螺杆上的磁铁通过磁力吸附在螺杆上；悬臂梁和放大框通过焊接连接；在外伸梁和悬臂梁上都安装了压电陶瓷，通过刚性夹具夹持在每根梁上下表面上，正极导线和负极导线与压电陶瓷相连；正极导线与负极导线串联连接至能量储存装置上。
本压电电磁发电装置中各个模块的功能为：通过弹性放大器将振源传递过来的振动进行进一步放大后，能激发电磁复合发电装置的大幅周期振动，使装置能量收集效率增加；通过双稳态压电能量采集装置中的螺母螺杆连接调节该装置中两个磁铁的间距实现系统的双稳态特性，进而实现宽频带压电能量采集；通过调频装置调节可移动小车的位置，改变双稳态压电能量采集装置的刚度，进而改变双稳态压电能量采集装置的固有频率实现调频功能；电磁发电装置通过弹性放大器将振动传递后会引起立柱上的磁铁和弹簧上的线圈产生相对运动，根据电磁感应原理产生电能。
本压电电磁复合发电装置工作过程如下：振源将振动传递给弹性放大器，引起放大框的大幅振动，从而使依附在放大框上的悬臂梁和外伸梁做大幅振动，夹持在两根梁上的压电陶瓷产生横向应变，根据正压电效应产生电能；通过调频装置调节可移动小车的位置，改变双稳态压电能量采集装置的刚度，进而改变双稳态压电能量采集装置的固有频率实现调频功能，使得输出电能最大化；振源将振动传递给弹性放大器后，引起立柱上的磁铁和弹簧上的线圈产生相对运动，根据电磁感应原理产生电能，从而实现压电电磁复合发电。
所述的外伸梁和悬臂梁均由铍青铜制成，其导电性能优良且弹性模量大，能承受较大的变形。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明所采用的弹性放大器可有效提高振动的幅值，增加能量收集效率。
2、本发明所采用的调频装置能有效的对发电装置的固有频率进行调节，将所设计的发电装置的固有频率与周围环境的振动频率完全匹配，实现输出电能最大化。
3、本发明采用的双稳态压电能量采集装置能有效的实现宽频带压电能量采集。
4、本发明能够有效的实现压电电磁复合发电，增加能量收集效率。
5、本发明所采用的机械结构简单，制造容易且成本低，安装简便，易于推广。
附图说明
图1是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置的立体结构示意图；
图2是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中弹性放大器结构示意图；
图3是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中双稳态压电能量采集装置结构示意图；
图4是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中悬臂梁压电能量采集器剖视图；
图中，1为线圈，2为放大框底板，3为可移动小车，4为铰支座，5为外伸梁压电能量采集器，6为正极导线，7为悬臂梁压电能量采集器，701为电极， 702为压电陶瓷，703为悬臂梁，8为放大框挡板，9为负极导线，10为单片机控制器，11为永磁铁A，12为放大框侧板，13为永磁铁B，14为手轮，15为螺杆，16为螺母，17为磁铁，18为立柱，19为弹簧，20为底板。
具体实施方案
为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细地描述，该实施仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例1
本实施例叙述了一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置。
图1展示了一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置的具体组成构件。
图1中展示出的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置包括，1为线圈，2为放大框底板，3为可移动小车，4为铰支座，5为外伸梁压电能量采集器，6为正极导线，7为悬臂梁压电能量采集器，701为电极，702 为压电陶瓷，703为悬臂梁，8为放大框挡板，9为负极导线，10为单片机控制器，11为永磁铁A，12为放大框侧板，13为永磁铁B，14为手轮，15为螺杆， 16为螺母，17为磁铁，18为立柱，19为弹簧，20为底板。
其中，放大框底板2、可移动小车3、铰支座4、外伸梁压电能量采集器5、悬臂梁压电能量采集器7、悬臂梁703、放大框挡板8、单片机控制器10、永磁铁A11、永磁铁B13、手轮14、螺杆15、螺母16和底板20的数量均为1个；正极导线6和负极导线9的数量均为2根；电极701数量为4个；压电陶瓷702 数量为4片；放大框侧板12数量为2个；磁铁17、立柱18和弹簧19的数量均为3个；螺母2为4个；线圈1为N圈。
从图1中可以看出，底板20应安装在存在振动的振源上，采用螺纹连接；弹性放大器是由一个放大框和三个弹簧19组成，放大框和底板20通过弹簧19 连接；外伸梁压电能量采集器5通过铰支座4和调频装置安装在放大框上，外伸梁压电能量采集器5上的磁铁焊接在外伸梁上；螺杆15和手轮14以及放大框通过螺纹连接，螺杆15上的磁铁通过磁力吸附在螺杆15上；悬臂梁压电能量采集器7和放大框通过焊接连接；在外伸梁和悬臂梁703上都安装了压电陶瓷702，通过刚性夹具夹持在每根梁上下表面上，正极导线6和负极导线9与压电陶瓷 702相连；正极导线6与负极导线9串联连接至能量储存装置上。
图2是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中弹性放大器结构示意图；
图3是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中双稳态压电能量采集装置结构示意图；
图4是本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置中悬臂梁压电能量采集器剖视图；
一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置的工作过程如下：振源将振动传递给弹性放大器，引起放大框的大幅振动，从而使依附在放大框上的悬臂梁压电能量采集器7和外伸梁压电能量采集器5做大幅振动，夹持在两根梁上的压电陶瓷702产生横向应变，根据正压电效应产生电能；振源将振动传递给弹性放大器后，引起立柱18上的磁铁17和弹簧19上的线圈1产生相对运动，根据电磁感应原理产生电能，从而实现压电电磁复合发电。
综上所述，本发明一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置与常见的振动能量俘获装置相比，能够有效利用周围环境产生低频振动，对振动的幅值进行放大并对能量采集装置的固有频率进行调节，提高了能量采集效率，装置结构简单、使用寿命长且易于推广。
尽管以上结合附图对本发明的一个具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，任何在本发明的思路和原则之内所作的任何改变、修改、替换和变型等，均属于本发明的权利要求保护范畴。
Claims (9)
1.一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于：包括弹性放大器、双稳态压电能量采集装置、电磁发电装置、调频装置、悬臂梁、压电陶瓷、底座、正极导线和负极导线；
底座安装在存在振动的振源上；弹性放大器由一个放大框和三个弹簧组成，放大框和底座通过弹簧连接；双稳态压电能量采集装置的外伸梁通过铰链和调频装置安装在放大框上，外伸梁上的磁铁焊接在双稳态压电能量采集装置的外伸梁上；螺杆和手轮以及放大框通过螺纹连接，螺杆上电磁发电装置的磁铁通过磁力吸附在螺杆上；悬臂梁和放大框通过焊接连接；在双稳态压电能量采集装置的外伸梁和悬臂梁上都安装了压电陶瓷，通过刚性夹具夹持在每根外伸梁和悬臂梁的上、下表面上，正极导线和负极导线与压电陶瓷相连；正极导线与负极导线串联连接至能量储存装置上。
2.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，其中，悬臂梁压电能量采集装置、双稳态压电能量采集装置、调频装置、电磁发电装置、底座的数量均为1个；正极导线和负极导线的数量均为2根；弹性放大器数量为3个；压电陶瓷数量为4片。
3.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，所述的弹性放大器由放大框、弹簧组成的；其中，弹簧数量为3个，放大框有两个侧板和一个挡板、一个底板组成；侧板和挡板、底板通过焊接连接，弹簧和放大框的连接方式通过焊接相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，所述的双稳态压电能量采集装置由外伸梁、压电陶瓷、磁铁、螺杆、螺母和手轮组成；外伸梁、螺杆、螺母、手轮数量均为1个，压电陶瓷、磁铁的数量均为2个；磁铁通过焊接与螺杆和外伸梁相连，螺杆与螺母以及手轮通过螺纹连接，外伸梁上下表面都通过刚性夹具夹持一层压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，所述的调频装置是由可移动小车和单片机控制器组成；可移动小车和单片机控制器数量均为1个；将环境振动的能量转化为电能需要环境振动与发电装置结构之间的耦合，当周围环境的振动频率与所设计的发电装置的固有频率完全匹配时，就能获得耦合；利用可移动小车的运动不断调节系统的刚度，可移动小车的运动受单片机控制器的控制，从而调节所设计的发电装置的固有频率，将发电装置的固有频率与周围环境的振动频率完全匹配，实现输出电能最大化；
悬臂梁在振动过程中通过正压电效应将振动能量转化为电能，根据所输出的电能大小得出环境中的振动频率，将产生的电能供给可移动小车上的驱动电机，可移动小车上安装有单片机控制器，根据输出的电能大小来调节小车的运动方向和运动位移，进而实现发电装置频率的调节。
6.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，所述的电磁发电装置由磁铁、线圈、立柱组成的；其中，磁铁的数量为3个，线圈数量为N圈，立柱数量为3个；在每个弹簧上缠绕N圈线圈，底板上的立柱和底板通过焊接连接，立柱上的磁铁通过磁力吸附在立柱上。
7.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，通过弹性放大器将振源传递过来的振动进行放大后，能激发电磁复合发电装置的大幅周期振动，使装置能量收集效率增加；通过双稳态压电能量采集装置中的螺母螺杆连接调节该装置中两个磁铁的间距实现系统的双稳态特性，实现宽频压电能量采集；通过调频装置调节可移动小车的位置，改变双稳态压电能量采集装置的刚度，进而改变双稳态压电能量采集装置的固有频率实现调频功能；电磁发电装置通过弹性放大器将振动传递后会引起立柱上的磁铁和弹簧上的线圈产生相对运动，根据电磁感应原理产生电能。
8.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，压电电磁复合发电装置的工作过程为：振源将振动传递给弹性放大器，引起放大框的大幅振动，从而使依附在放大框上的悬臂梁和外伸梁做大幅振动，夹持在两根梁上的压电陶瓷产生横向应变，根据正压电效应产生电能；通过调频装置调节可移动小车的位置，改变双稳态压电能量采集装置的刚度，进而改变双稳态压电能量采集装置的固有频率实现调频功能，使得输出电能达到最大化；振源将振动传递给弹性放大器后，引起立柱上的磁铁和弹簧上的线圈产生相对运动，根据电磁感应原理产生电能，从而实现压电电磁复合发电。
9.根据权利要求1所述的一种具有弹性放大器的可调频宽频带压电电磁复合发电装置，其特征在于，所述的外伸梁和悬臂梁均由铍青铜制成。
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