CN113746375A - 一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 - Google Patents
一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113746375A CN113746375A CN202111053250.8A CN202111053250A CN113746375A CN 113746375 A CN113746375 A CN 113746375A CN 202111053250 A CN202111053250 A CN 202111053250A CN 113746375 A CN113746375 A CN 113746375A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- rotating frame
- vibration energy
- magnet
- electromagnetic wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 11
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Nd] Chemical compound [B].[Fe].[Nd] QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 2
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
- H02K7/1807—Rotary generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
Abstract
本发明公开了一种上变频滚球致动式压电‑电磁波浪振动俘能装置，包括光轴、旋转架、金属球、圆柱基座、永磁体旋转架、环形槽盘、电磁感应线圈、环形支撑架、驱动磁铁、尼龙螺柱、尼龙螺帽、四凹槽旋转圆柱、感应磁铁、压电片和旋转架梁结构，其特征在于所述的旋转架、永磁体旋转架和四凹槽旋转圆柱固定于同一光轴，所述压电片结构由金属基座、梁上响应磁铁、压电陶瓷构成，所述金属球放置于圆柱基座的圆形导轨上，金属球的旋转运动带动四凹槽旋转圆柱上的驱动磁铁以及永磁体旋转架转动，该装置可以将外界超低频的振动能量转化为电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪的采集。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量俘能领域，具体涉及一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置。
背景技术
目前，大多数低功耗电子元器件如无线传感器节点、智能手环、医疗植入传感器、蓝牙耳机等都依赖于传统的锂电池进行供电，然而传统的化学电池越来越不能满足人们的需要，传统化学电池的放电效率会受到环境温度、电池体积、充放电次数等的影响，并且有的微电子设备安装在人不能涉足的恶劣环境，给电池的维护和更换增加了成本，同时干电池报废后会导致浪费材料、污染环境等一系列问题，所以提出一种新的能源以代替电化学电池为低功率元器件供电，成为了新的一种研究方向，与此同时，随着科学技术的进步，无线传感网络节点及便携式微电子产品应用越来越广泛，随着低功耗元器件的功耗进一步降低，这使得从环境中采集能量替代化学电池为低功耗微电子产品供电成为了可能。
能量收集技术就是这样一门针对当今能源问题而兴起的热门技术，它将环境中的可用的而又没被利用的能量转化和存储起来作为可用的电能使用，这些能量非常丰富且可被利用，不同的能量源能量密度不一样，目前环境中的能量源有振动能、太阳能、风能、温差能、射频辐射能、噪声等，振动能在日常生活中普遍存在，不容易受到位置、天气、等环境的影响，并且具有较高的能量密度，另一方面电磁俘能也被广泛应用，通过电磁感应线圈和磁铁之间的相对运动或者在变化的磁场中的固定线圈通过环境振动提取能量，目前已开展的能量回收技术的研究结果表明，从机械振动中获取能量是切实可行的，根据能量转化原理的不同，振动俘能器可分为压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式等类型，其中，压电俘能器由于能量密度大、结构简单、无需外部供电、便于实现小型化和集成化的优点，具有广泛的应用前景。
本发明公开了一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，包括光轴、旋转架、金属球、圆柱基座、永磁体旋转架、环形槽盘、电磁感应线圈、环形支撑架、驱动磁铁、尼龙螺柱、尼龙螺帽、四凹槽旋转圆柱、感应磁铁、压电片结构、旋转架梁结构，其特征在于所述的旋转架、永磁体旋转架和四凹槽旋转圆柱固定于同一光轴，所述压电片结构由梁上响应磁铁、金属基座、压电陶瓷构成，所述金属球放置于圆柱基座的圆形导轨上，通过金属球的旋转运动带动四凹槽旋转圆柱上的驱动磁铁转动，通过磁力作用，使压电陶瓷输出电能。该装置能够高效的将外界超低频的波浪振动能转化为电能，为低功耗无线传感网络供电，适用于江、河、湖、海等水面波浪的采集。
发明内容
本发明的目的：提出一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，通过金属球的圆周运动，驱动四凹槽旋转圆柱上的驱动磁铁与永磁体旋转架旋转，实现多方向的振动能采集，并通过压电片与电磁感应线圈将振动能转化为电能，为低功耗的无线传感网络供电，减少化学电池的使用，降低更换电池带来的人工成本。
为实现本发明，采用的技术方案是：一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，包括光轴、旋转架、金属球、圆柱基座、永磁体旋转架、环形槽盘、电磁感应线圈、环形支撑架、驱动磁铁、尼龙螺柱 、尼龙螺帽、四凹槽旋转圆柱、感应磁铁、压电片结构和旋转架梁结构，其特征在于所述的旋转架、永磁体旋转架和四凹槽旋转圆柱固定于同一光轴，所述压电片结构由梁上响应磁铁、金属基座、压电陶瓷构成，所述金属球放置于圆柱基座的圆形导轨上，金属球的旋转运动带动四凹槽旋转圆柱上的驱动磁铁转动，通过磁力作用，使压电陶瓷输出电能。该装置能够高效的将外界超低频的波浪振动能转化为电能，为低功耗无线传感网络供电，适用于江、河、湖、海等水面波浪的采集。
本发明的有益效果：
1. 采用压电-电磁复合能量采集结构，有效扩展俘能带宽，提高低频波浪振动条件下的能量采集效率。
2. 采用四个压电片结构围绕光轴圆周排列的结构，使得各个压电片结构上的压电陶瓷之间输出的电压大小、幅值、相位均相同，减少后端采集电路的复杂结构，降低使用成本。
3. 采用磁力上变频的方式，使得低频波浪振动产生时，压电片结构以固有频率振动，将低频率的振动激励转化为较高频的压电片结构振动激励，使得压电陶瓷输出更多的电能。
4. 该装置采用滚球致动的形式实现对振动能量的采集与转换，能够采集不同大小、幅值、方向的波浪能，为无线传感网络供电，减少使用化学电池带来的海洋环境污染与更换电池带来的人力成本。
5. 电磁感应线圈之间采用串联连接的形式，永磁体旋转架上安装的相邻磁体极性相反，相邻的电磁感应线圈输出大小相同方向相反的感应电动势，增加了线圈输出的开路电压，减少能量的损耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明激励运动结构示意图；
图3为本发明电磁能量采集结构示意图；
图4为本发明能量采集结构剖视图；
图5为本发明电磁能量采集结构上斜视分离图；
图6为本发明电磁能量采集结构下斜视分离图
图7为本发明压电上变频采集结构示意图；
图8为本发明压电片结构前示意图；
图9为本发明压电片结构后示意图；
其中：1：光轴；2：旋转架；3：金属球；4：圆柱基座；5：永磁体旋转架；6：环形槽盘；7：电磁感应线圈；8：环形支撑架；9：金属基座；10：梁上响应磁铁；11：驱动磁铁；12：尼龙螺柱；13：尼龙螺帽；14：压电陶瓷；15：四凹槽旋转圆柱；16：感应磁铁；17：压电片结构；18:圆形导轨；19：旋转架梁结构。
具体实施方式
一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，包括光轴(1)、旋转架(2)、金属球(3)、圆柱基座(4)、永磁体旋转架(5)、感应磁铁(16)、环形槽盘(6)、电磁感应线圈(7)、环形支撑架(8)、驱动磁铁(11)、尼龙螺柱（12）、尼龙螺帽（13）、四凹槽旋转圆柱(15)、压电片结构(17)和旋转架梁结构（19），其特征在于旋转架(2)、永磁体旋转架(5)和四凹槽旋转圆柱(15)固定于光轴（1）。所述压电片结构（17）由梁上响应磁铁(10)、金属基座(9)、压电陶瓷(14)构成，所述金属球(3)放置于圆柱基座(4)的圆形导轨（18）上，金属球(3)的旋转运动带动四凹槽旋转圆柱(15)上的驱动磁铁(11)以及永磁体旋转架(5)转动，通过驱动磁铁(11)与梁上响应磁铁(10)的磁力作用，改变压电陶瓷(14)的运动状态，使压电陶瓷(14)输出电能,同时永磁体旋转架(5)的转动导致电磁感应线圈（7）作切割磁感线运动，使电磁感应线圈(7)产生感应电动势，该装置可以将外界超低频的振动能量通过压电效应与电磁感应定律转化为电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪的采集。
优选的，感应磁铁（16）作为装置的电磁发电的激励部分，为了保证发电的效率，可以采用钕铁硼强磁材料，也可以采用其他材质。
优选的，为消除不同压电片结构（17）之间所产生电位的相位差，简化采集电路结构，压电片结构（17）采用圆周排列结构，压电片结构（17）的质心与光轴（1）构成的直线互相垂直。
工作原理：该装置利用金属球(3)在圆柱基座(4)的圆形导轨(18)上的滚动并且驱动旋转架(2)转动，与旋转架(2)相连的光轴(1)带动永磁体旋转架(5)与四凹槽旋转圆柱(15)转动，嵌入在四凹槽旋转圆柱(15)上的驱动磁铁(11)随着四凹槽旋转圆柱(15)的转动靠近压电片结构(17)并与梁上响应磁铁(10)产生磁力的作用，通过磁力作用使得压电陶瓷(14)发生形变，从而产生电能，同时，由于放置在永磁体旋转架(5)上的感应磁铁(16)转动，环形槽盘(6)上的电磁感应线圈(7)作切割磁感线运动，产生感应电动势，将各个压电陶瓷(14)的正负极引出，串联后的电磁感应线圈(7)的两极用导线引出后，分别连接采集电路，从而将振动能量转换成电能。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，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 (8)
1.一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，包括光轴(1)、旋转架(2)、金属球(3)、圆柱基座(4)、永磁体旋转架(5)、环形槽盘(6)、电磁感应线圈(7)、环形支撑架(8)、驱动磁铁(11)、尼龙螺柱(12) 、尼龙螺帽(13)、四凹槽旋转圆柱(15)、感应磁铁(16)、压电片结构(17)和旋转架梁结构（19），其特征在于所述的旋转架(2)、永磁体旋转架(5)和四凹槽旋转圆柱(15)固定于同一光轴（1），所述压电片结构(17)由金属基座(9)、梁上响应磁铁(10)、压电陶瓷(14)构成，所述金属球(3)放置于圆柱基座(4)的圆形导轨(18)上，金属球(3)的旋转运动带动四凹槽旋转圆柱(15)上的驱动磁铁(11)以及永磁体旋转架(5)转动，该装置可以将外界超低频的振动能量转化为电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪的采集。
2.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述金属球(3)的圆周运动带动四凹槽旋转圆柱(15)上的驱动磁铁（11）旋转，通过磁力作用，导致压电陶瓷（14）产生形变，驱动磁铁(11)与梁上响应磁铁(10)间距越近，压电陶瓷（14）的变形越大。
3.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于为减小驱动磁铁(11)与梁上响应磁铁(10)之间的磁力对金属球(3)运动的阻碍作用，所述圆柱基座(4)上圆形导轨(18)的半径大于四凹槽旋转圆柱(15)的半径。
4.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述永磁体旋转架(5)外环等间距安装八个感应磁铁（16），相邻的感应磁铁(16)之间表面极性相反，所述感应磁铁(16)可以采用钕铁硼强磁材料，也可以采用其他材质。
5.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述光轴(1)与旋转架(2)、环形槽盘(6)，四凹槽旋转圆柱(15)相连，旋转架（2）、环形槽盘(6)、四凹槽旋转圆柱(15)、光轴(1)之间的相对位置保持固定。
6.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述压电片结构(17)上的两块梁上响应磁铁(10)通过磁力的作用吸合在金属基座(9)的两侧。
7.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述环形支撑架（8）安装有四个压电片（17）,相邻压电片(17)与光轴(1)构成的夹角为90°。
8.根据权利要求书1所述的一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置，其特征在于所述旋转架(2)上的三个旋转架梁结构（19）在同一水平面上，相邻旋转架梁结构（19）之间的夹角为120°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111053250.8A CN113746375A (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111053250.8A CN113746375A (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113746375A true CN113746375A (zh) | 2021-12-03 |
Family
ID=78737442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111053250.8A Withdrawn CN113746375A (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113746375A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114400860A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 郑州大学 | 一种磁旋摆碰撞式的非线性电磁振动能量俘获装置 |
| CN114400858A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 郑州大学 | 一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置 |
| CN114520578A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-05-20 | 中国计量大学 | 一种差动电磁式振动能量采集装置 |
| CN116436207A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-07-14 | 成都工业职业技术学院 | 一种电动汽车振动能量收集装置 |
-
2021
- 2021-09-09 CN CN202111053250.8A patent/CN113746375A/zh not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114400860A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 郑州大学 | 一种磁旋摆碰撞式的非线性电磁振动能量俘获装置 |
| CN114400858A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 郑州大学 | 一种磁旋摆碰撞式电磁振动能量俘获装置 |
| CN114520578A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-05-20 | 中国计量大学 | 一种差动电磁式振动能量采集装置 |
| CN114520578B (zh) * | 2022-03-14 | 2024-02-13 | 中国计量大学 | 一种差动电磁式振动能量采集装置 |
| CN116436207A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-07-14 | 成都工业职业技术学院 | 一种电动汽车振动能量收集装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113746375A (zh) | 一种上变频滚球致动式压电-电磁波浪振动俘能装置 | |
| Fang et al. | A high-performance triboelectric-electromagnetic hybrid wind energy harvester based on rotational tapered rollers aiming at outdoor IoT applications | |
| CN111711380B (zh) | 一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机 | |
| Panda et al. | Hybrid nanogenerators for ocean energy harvesting: mechanisms, designs, and applications | |
| CN107086649B (zh) | 一种电磁压电复合式波浪能收集装置 | |
| CN110034704A (zh) | 一种风力阵列式磁力非线性压电发电装置 | |
| CN110649763B (zh) | 一种电磁式俘能器 | |
| CN111156128A (zh) | 一种全向压电电磁复合式波浪能采集装置 | |
| CN103346696A (zh) | 阵列式复合能量采集器 | |
| CN112240263B (zh) | 自发电浮标系统 | |
| CN108347196B (zh) | 一种基于磁电复合材料的振动能量采集系统 | |
| CN112039365A (zh) | 一种基于液态金属的振动能量收集装置及其应用 | |
| Xue et al. | A static-dynamic energy harvester for a self-powered ocean environment monitoring application | |
| CN112366980A (zh) | 一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器 | |
| CN110474558B (zh) | 一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机 | |
| Xue et al. | Coil-levitated hybrid generator for mechanical energy harvesting and wireless temperature and vibration monitoring | |
| CN113037133B (zh) | 一种多方向的上变频波浪振动俘能装置 | |
| CN109617453B (zh) | 基于压电和磁电复合结构的能量采集装置 | |
| CN214533369U (zh) | 一种旋转直线压电振动能量采集装置 | |
| CN114244094B (zh) | 一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置 | |
| CN113217260B (zh) | 一种波浪能发电装置 | |
| CN112865473A (zh) | 一种基于fpc工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置 | |
| CN112234863A (zh) | 一种旋转激励作用的压电-电磁复合式发电装置 | |
| CN110061659A (zh) | 一种旋转式阵列曲梁压电发电机 | |
| CN113364344B (zh) | 一种基于饮水鸟的常温热机发电装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20211203 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |