CN114268242B - 一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，包括金属罩，其表面设有永磁体；支撑机构，包括边基座和中间基座；发电机构，包括方形固定座、第一横压电悬臂梁组件、第二横压电悬臂梁组件以及第三竖压电悬臂梁组件，所述第一横压电悬臂梁组件、第二横压电悬臂梁组件和第三竖压电悬臂梁组件的一侧均设有永磁体质量块，另一侧表面设有压电片；整流电路，所述整流电路的输入端通过导线连接到所述压电片的电极上；能量收集电路，用于通过储蓄元件进行电能存储。本发明通过利用三维方向上不同尺寸的压电悬臂梁对三维方向上的振动能量，为安全检测节点进行供电，或者作为应急电源为安全检测系统提供临时供电。

Description

一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器

技术领域

本发明涉及新能源与节能技术领域，具体而言，涉及一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器。

背景技术

安全检测技术作为基础的安全技术，广泛应用于安全生产的各个领域，随着双重预防机制以及应急管控体系的逐渐完善，安全检测节点或者安全检测系统也需要一种应急供电措施，以应对突发的断电情况。

目前，现阶段关于压电俘能技术，其俘能范围主要集中于一个或者两个方向上，针对三维方向上的俘能装置，较少有人研究，并且在不同方向上采用尺寸不同的悬臂梁进行俘能，更加少人研究。

其次，在复合俘能方面，都是关注一个方向上的复合俘能，没有关注三维方向上的电磁复合俘能，

最后，关于安全领域与压电领域相结合的应用也很少有人研究。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提出了一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其能够通过三维方向上的悬臂梁收集三维方向上的振动能量，且能够通过悬臂梁的不同结构参数与固有频率的不同质量，收集不同固有频率范围内的振动能量，能更加有效适应复杂的生产环境需求。

为解决上述问题，本发明提供一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，包括：

金属罩，其表面设有永磁体；

支撑机构，包括支撑在所述金属罩四角的边基座和支撑在所述金属罩底部中心的中间基座；

发电机构，包括方形固定座、分布在所述方形固定座左右两侧表面的第一横压电悬臂梁组件、分布在所述方形固定座前后两侧表面的第二横压电悬臂梁组件以及分布在所述方形固定座上表面的第三竖压电悬臂梁组件，所述第一横压电悬臂梁组件、所述第二横压电悬臂梁组件和所述第三竖压电悬臂梁组件的一侧均设有永磁体质量块，另一侧表面设有压电片；

整流电路，所述整流电路的输入端通过导线连接到所述压电片的电极上，用于将所收集的电能进行整流；

能量收集电路，所述能量收集电路的输入端与所述整流电路的输出端连接，用于通过储蓄元件进行电能存储。

优选地，所述第一横压电悬臂梁组件包括垂直连接在所述方形固定座上的第一横压电悬臂梁、固定在所述第一横压电悬臂梁且远离所述方形固定座一侧表面的第一永磁体质量块和固定在所述第一横压电悬臂梁另一侧表面的第一压电片；

所述第二横压电悬臂梁组件包括垂直连接在所述方形固定座上的第二横压电悬臂梁、固定在所述第二横压电悬臂梁且远离所述方形固定座一侧表面的第二永磁体质量块和固定在所述第二横压电悬臂梁另一侧表面的第二压电片；

所述第三竖压电悬臂梁组件包括垂直连接在所述方形固定座上表面的第三竖压电悬臂梁、固定在所述第三竖压电悬臂梁且远离所述方形固定座一侧表面的第三永磁体质量块和固定在所述第三竖压电悬臂梁另一侧表面的第三压电片。

优选地，所述金属罩上的永磁体与所述第一永磁体质量块、所述第二永磁体质量块和所述第三永磁体质量块呈相对位置设置。

优选地，所述方形固定座、所述第一横压电悬臂梁、所述第二横压电悬臂梁和所述第三竖压电悬臂梁的材质为铝、铜或者单晶硅其中一种。

优选地，所述压电片的材质为PVDF、PZT和MFC中的一种。

优选地，所述第一横压电悬臂梁、所述第二横压电悬臂梁和所述第三竖压电悬臂梁的宽度为14-32mm。

优选地，所述第一压电片、所述第二压电片和所述第三压电片的厚度为0.08-0.32mm。

优选地，所述第一永磁体质量块、所述第二永磁体质量块和所述第三永磁体质量块的质量为8.25-11.25kg。

优选地，所述整流电路包括分别并联连接在所述第三电容两端的第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管和第四稳压二极管，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管之间具有第一输出节点，所述第三稳压二极管和所述第四稳压二极管之间具有第二输出节点。

优选地，所述能量收集电路包括基于LTC3588-1芯片集成的电能存储单元，所述电能存储单元包括串联连接在CAP引脚及VIN引脚间的第一电容、串联连接在VIN2引脚及GND地脚间的第二电容、串联连接在SW引脚及GND地脚间的第一灯管和第三电容；

还包括并联连接在所述第一电容和所述第二电容间的存储电容，所述存储电容的两端分别连接在所述第一输出节点和所述第二输出节点上；

所述压电片的其中一个串联连接在PZ1引脚及PZ2引脚间，所述压电片的其他均串联连接在所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管间的节点上以及所述第三稳压二极管和所述第四稳压二极管之间的节点。

相对于现有技术，本发明所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器具有以下有益效果：

1、本发明能够收集三维方向上的振动能，通过改变压电悬臂梁的结构参数、永磁体质量以及两个永磁体的相对质量去调整俘能频率的范围以适应复杂多变的生产环境；通过弹簧结构本发明能够更加有效的将振动能转化为电能，有利于实现节能环保、减少工业振动，实现安全检测装置的本质安全。

2、本发明通过利用压电效应收集生产环境中的振动能，既能为安全检测节点以及安全检测系统进行供电，也能节省额外的能源消耗，做到节能减排。

附图说明

图1为本发明实施例中面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器的结构示意图；

图2为本发明实施例中面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器的分解结构示意图；

图3为本发明实施例中压电悬臂梁组件的连接结构示意图；

图4为本发明实施例中压电悬臂梁与压电片的连接结构示意图；

图5为本发明实施例中整流电路的连接原理示意图；

图6为本发明实施例中能量收集电路的连接原理示意图。

附图标记说明：

其中：1-金属罩；11-永磁体；2-支撑机构；21-中间基座；211-中间基板；212-第一弹簧；22-边基座；221-边基板；222-第二弹簧；3-发电机构；31-方形固定座；32-第一横压电悬臂梁组件；321-第一横压电悬臂梁；322-第一永磁体质量块；323-第一压电片；33-第二横压电悬臂梁组件；331-第二横压电悬臂梁；332-第二永磁体质量块；333-第二压电片；34-第三竖压电悬臂梁组件；341-第三竖压电悬臂梁；342-第三永磁体质量块；343-第三压电片；4-整流电路；41-第一稳压二极管；42-第二稳压二极管；43-第三稳压二极管；44-第四稳压二极管；5-能量收集电路；51-第一电容；52-第二电容；53-第三电容；54-存储电容。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，附图中“X”的正向代表前方，相应地，“X”的反向代表后方；“Y”的正向代表左面，相应地，“Y”的反向代表右面；“Z”的正向代表上方，相应地，“Z”的反向代表下方，术语“X”、“Y”、“Z”等指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例根据，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1-6，本发明实施例提供了一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，包括：

金属罩1，金属罩1的内表面设有永磁体11，用于在金属罩1内产生非线性的磁场力；

支撑机构2，包括支撑在金属罩1四角的边基座22和支撑在金属罩1底部中心的中间基座21；

发电机构3，包括方形固定座31、第一横压电悬臂梁组件32、第二横压电悬臂梁组件33和第三竖压电悬臂梁组件34，其中第一横压电悬臂梁组件32分布在方形固定座31左右两侧(也即附图中的Y轴方向)的表面，第二横压电悬臂梁组件33分布在方形固定座31前后两侧的表面，第三竖压电悬臂梁组件34分布在方形固定座31的上表面。由此，三维列阵式压电俘能器中的各个悬臂梁呈三维方向摆放，能够收集三维方向上的振动能；

第一横压电悬臂梁组件32、第二横压电悬臂梁组件33和第三竖压电悬臂梁组件34的一侧均设有永磁体质量块，另一侧表面设有压电片；

整流电路4，整流电路4的输入端通过导线连接到压电片的电极上，用于将所收集的电能进行整流；

能量收集电路5，能量收集电路5的输入端与整流电路4的输出端连接，用于通过储蓄元件进行电能存储。

在本实施例当中，当生产环境中产生的振动传递到三维列阵式电磁复合压电俘能器上，使得该装置整体产生振动，三维列阵式电磁复合压电俘能器上的压电悬臂梁组件因振动而产生形变，从而产生电能，压电悬臂梁组件上设有压电片，通过连接在压电片上的电极和引出导线，与能量收集电路相连接，能量收集电路连接到整流电路上，并将各个整流电路并联，通过各个整流电路，将收集到的电能整合到能量收集电路上，实现对环境中振动能量的俘获。

在本发明的实施例中，支撑机构2包括边基座22和中间基座21，中间基座21支撑在金属罩1底部中心位置，其由中间基板211和第一弹簧212连接构成，第一弹簧212的另一端连接在发电机构3的底部；边基座22由边基板221和第二弹簧222连接构成，第二弹簧222的另一端连接在金属罩1的边角底部，由此，通过装置上的弹簧，能够在收集到相应的振动，并使得整体装置反复振动，从而增大振动能转化成为电能的效率。

需要说明的是，本装置主要应用于低频环境下，能够有效地收集环境中的振动能。

具体地，请参阅图3所示，在本发明的实施例当中，第一横压电悬臂梁组件32包括第一横压电悬臂梁321、第一永磁体质量块322和第一压电片323，其中第一横压电悬臂梁321垂直连接在方形固定座31上，本实施例中，第一横压电悬臂梁321对称分布在方形固定座31的侧面，第一永磁体质量块322固定在第一横压电悬臂梁321上，且位于远离方形固定座31一侧表面，第一压电片323固定在第一横压电悬臂梁321另一侧的表面，且在第一横压电悬臂梁321的两侧表面均有布置。

在本实施例中，第二横压电悬臂梁组件33包括第二横压电悬臂梁331、第二永磁体质量块332和第二压电片333，其中，第二横压电悬臂梁331垂直连接在方形固定座31上，第二永磁体质量块332固定在第二横压电悬臂梁331且位于远离方形固定座31一侧表面，第二压电片333固定在第二横压电悬臂梁331另一侧的表面。

第三竖压电悬臂梁组件34包括第三竖压电悬臂梁341、第三永磁体质量块342和第三压电片343，其中第三竖压电悬臂梁341垂直连接在方形固定座31上表面上，第三永磁体质量块342固定在第三竖压电悬臂梁341且位于远离方形固定座31一侧的表面，第三压电片343固定在第三竖压电悬臂梁341另一侧的表面。

具体地，请参阅图2、3所示，在本发明的实施例当中，金属罩1上的永磁体11与第一永磁体质量块322、第二永磁体质量块332和第三永磁体质量块342呈相对位置设置。

由此，在本实施例中，通过金属罩1上的永磁体11，能够使得压电悬臂梁在振动时改变其磁场，从而为压电悬臂梁提供了一个磁场力，通过切割磁感线，使得压电悬臂梁的俘能频率范围得到了扩宽，更加有效地收集环境中的振动能。

具体地，在本发明的实施例当中，方形固定座31、第一横压电悬臂梁321、第二横压电悬臂梁331和第三竖压电悬臂梁341的材质为铝、铜或者单晶硅其中一种。

具体地，在本发明的实施例当中，所述压电片的材质为PVDF、PZT和MFC中的一种。

具体地，请参阅图3、4所示，在本发明的实施例当中，第一横压电悬臂梁321、第二横压电悬臂梁331和第三竖压电悬臂梁341的宽度为14-32mm。

由此，通过对压电悬臂梁进行结构改进，运用不同宽度的悬臂梁宽度，对环境中的振动能量进行收集，并通过增加永磁体为压电悬臂梁提供一个非线性的磁力，扩宽了装置俘能的固有频率范围。

具体地，请参阅图3、4所示，在本发明的实施例当中，第一压电片323、第二压电片333和第三压电片343的厚度为0.08-0.32mm。

由此，通过运用不同压电片的材料厚度，对环境中的振动能量进行收集，也能改善装置俘能的固有频率范围。

具体地，请参阅图3、4所示，在本发明的实施例当中，第一永磁体质量块322、第二永磁体质量块332和第三永磁体质量块342的质量为8.25-11.25kg。

由此，通过不不同质量的永磁体质量块，为压电悬臂梁提供一个非线性的磁力。

具体到本实施例中，为研究复合压电俘能器的俘能情况，对压电悬臂梁进行了结构改进，并运用不同压电片厚度、不同悬臂梁宽度以及不同质量块质量的悬臂梁，对环境中的振动能量进行收集，各个悬臂梁的尺寸如下所示：

具体地，请参阅图5所示，在本发明的实施例当中，整流电路4包括分别并联连接在第三电容53两端的第一稳压二极管41、第二稳压二极管42、第三稳压二极管43和第四稳压二极管44，第一稳压二极管41和第二稳压二极管42之间具有第一输出节点，第三稳压二极管43和第四稳压二极管44之间具有第二输出节点。

具体地，请参阅图6所示，在本发明的实施例当中，能量收集电路5包括基于LTC3588-1芯片集成的电能存储单元，电能存储单元包括串联连接在CAP引脚及VIN引脚间的第一电容51、串联连接在VIN2引脚及GND地脚间的第二电容52、串联连接在SW引脚及GND地脚间的第一灯管和第三电容53；

还包括并联连接在第一电容51和第二电容52间的存储电容54，存储电容54的两端分别连接在第一输出节点和第二输出节点上；

压电片的其中一个串联连接在PZ1引脚及PZ2引脚间，压电片的其他均串联连接在第一稳压二极管41和第二稳压二极管42间的节点上以及第三稳压二极管43和第四稳压二极管44之间节点。

由此，本装置各个悬臂梁的电极附有导线引入连接，将所收集的电能通过整流电路进行整流后，并联输出到LTC3588-1能量收集电路中，并通过储蓄元件进行电能存储。

虽然本公开披露根据上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，包括：

金属罩（1），其表面设有永磁体（11）；

支撑机构（2），包括支撑在所述金属罩（1）四角的边基座（22）和支撑在所述金属罩（1）底部中心的中间基座（21）；

发电机构（3），包括方形固定座（31）、分布在所述方形固定座（31）左右两侧表面的第一横压电悬臂梁组件（32）、分布在所述方形固定座（31）前后两侧表面的第二横压电悬臂梁组件（33）以及分布在所述方形固定座（31）上表面的第三竖压电悬臂梁组件（34），所述第一横压电悬臂梁组件（32）、所述第二横压电悬臂梁组件（33）和所述第三竖压电悬臂梁组件（34）的一侧均设有永磁体质量块，另一侧表面设有压电片；

所述第一横压电悬臂梁组件（32）包括垂直连接在所述方形固定座（31）上的第一横压电悬臂梁（321）、固定在所述第一横压电悬臂梁（321）且远离所述方形固定座（31）一侧表面的第一永磁体质量块（322）和固定在所述第一横压电悬臂梁（321）另一侧表面的第一压电片（323），

所述第二横压电悬臂梁组件（33）包括垂直连接在所述方形固定座（31）上的第二横压电悬臂梁（331）、固定在所述第二横压电悬臂梁（331）且远离所述方形固定座（31）一侧表面的第二永磁体质量块（332）和固定在所述第二横压电悬臂梁（331）另一侧表面的第二压电片（333），

所述第三竖压电悬臂梁组件（34）包括垂直连接在所述方形固定座（31）上表面的第三竖压电悬臂梁（341）、固定在所述第三竖压电悬臂梁（341）且远离所述方形固定座（31）一侧表面的第三永磁体质量块（342）和固定在所述第三竖压电悬臂梁（341）另一侧表面的第三压电片（343）；

所述金属罩（1）上的永磁体（11）与所述第一永磁体质量块（322）、所述第二永磁体质量块（332）和所述第三永磁体质量块（342）呈相对位置设置；

整流电路（4），所述整流电路（4）的输入端通过导线连接到所述压电片的电极上，用于将所收集的电能进行整流；

能量收集电路（5），所述能量收集电路（5）的输入端与所述整流电路（4）的输出端连接，用于通过储蓄元件进行电能存储。

2.根据权利要求1所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述方形固定座（31）、所述第一横压电悬臂梁（321）、所述第二横压电悬臂梁（331）和所述第三竖压电悬臂梁（341）的材质为铝、铜或者单晶硅其中一种。

3.根据权利要求1所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述压电片的材质为PVDF、PZT和MFC中的一种。

4.根据权利要求1所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述第一横压电悬臂梁（321）、所述第二横压电悬臂梁（331）和所述第三竖压电悬臂梁（341）的宽度为14-32mm。

5.根据权利要求1所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述第一压电片（323）、所述第二压电片（333）和所述第三压电片（343）的厚度为0.08-0.32mm。

6.根据权利要求1所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述第一永磁体质量块（322)、所述第二永磁体质量块（332）和所述第三永磁体质量块（342）的质量为8.25-11.25kg。

7.根据权利要求6所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述整流电路（4）包括分别并联连接在所述压电片两端的第一稳压二极管（41）、第二稳压二极管（42）、第三稳压二极管（43）和第四稳压二极管（44），所述第一稳压二极管（41）和所述第二稳压二极管（42）之间具有第一输出节点，所述第三稳压二极管（43）和所述第四稳压二极管（44）之间具有第二输出节点。

8.根据权利要求7所述的面向检测装置的三维列阵式电磁复合压电俘能器，其特征在于，所述能量收集电路（5）包括基于LTC3588-1芯片集成的电能存储单元，所述电能存储单元包括串联连接在CAP引脚及VIN引脚间的第一电容（51）、串联连接在VIN2引脚及GND地脚间的第二电容（52）、串联连接在SW引脚及GND地脚间的第一灯管和第三电容（53）；

还包括并联连接在所述第一电容（51）和所述第二电容（52）间的存储电容（54），所述存储电容（54）的两端分别连接在所述第一输出节点和所述第二输出节点上；

所述压电片的其中一个串联连接在PZ1引脚及PZ2引脚间，所述压电片的其他均串联连接在所述第一稳压二极管（41）和所述第二稳压二极管（42）间的节点上以及所述第三稳压二极管（43）和所述第四稳压二极管（44）之间节点。