CN206673809U - 一种电磁摩擦压电复合式能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，属于微机电系统及微能源技术领域。采集器壳体内部两侧放置永磁铁，转轴通过轴承与壳体连接，内凹形设计的悬臂梁固连在转轴上，悬臂梁两端分别固定连接半球形质量块，覆有缓冲层的压电陶瓷安装于壳体内部，悬臂梁上缠绕有线圈，线圈外附有第二摩擦层，第二摩擦层与壳体之间相应位置处依次为第一摩擦层、柔性压电材料与绝缘填充层，采集的能量通过第一电极层与第二电极层外接线路输出，第一电极层连接柔性压电材料和第一摩擦层，第二电极层位于转轴上部，通过导线连接线圈和第二摩擦层。优点是将振动能转化为电能，对输出能量叠加放大，进一步提高器件的能量转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及微机电系统(MEMS)及微能源技术领域，尤其涉及一种电磁-摩擦-压电复合式能量采集器。
背景技术
随着能源清洁化、高效化趋势的日益增强，新型能量采集装置的相关研究工作近年来取得较大进展。振动能量采集器是新型能量采集装置的一个研究重点，其工作方式主要有电磁式、静电式和压电式三种。在电磁式方面，土耳其中东技术大学的研究小组Kulah等人提出一种固有频率不同的悬臂梁阵列的方法来增加共振带宽，从而可以采集较宽频带振动信号的能量；在静电式方面，王中林院士实现了基于摩擦起电和静电感应的耦合原理TENGs纳米摩擦发电机；在压电式方面，美国麻省理工等院校研制出的压电发电机功效量级可达几百至一千μw/cm3。
而将单一工作方式巧妙组合的复合式采集装置效率高、应用面广，适合代替传统单一的能量采集装置。在此方面，新加坡国立大学的Bin Yang等研究人员制成的微型复合振动能量收集器实现了压电与电磁转换机理同时获取能量，仍存在能量采集的效率较低，结构复杂等问题。北京大学的张晓升等人提出的基于压电摩擦电磁的纳米发电机采集自然界中的可再生能量，然而仍存在压电能量采集效率低，能量损耗大等问题。综上，采集效率低、结构复杂等问题严重限制着复合式能量收集器的实用化程度，为此如何通过多机制复合及特殊结构设计提高能量采集器的能量转换效率，并开发实用化的能量采集器产品是近未来能量采集领域备受关注的热点问题。此外，利用电磁、压电、摩擦三种机制复合的采集人体运动机械能的自主振动能量采集器还未见报道。
发明内容
本实用新型提出一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，以解决传统单一形式及复合形式能量采集器存在的采集效率低的问题。
本实用新型采取技术方案是：采集器壳体内部两侧对称置有磁极反向放置的“门”形永磁铁，转轴通过轴承与壳体连接，内凹形设计的悬臂梁固连在转轴上，悬臂梁两端分别固定连接半球形质量块，覆有缓冲层的压电陶瓷与质量块一一对应、并安装于壳体内部，悬臂梁上缠绕有线圈，线圈外附有第二摩擦层，第二摩擦层与壳体之间相应位置处依次为第一摩擦层、柔性压电材料与绝缘填充层，采集的能量通过第一电极层与第二电极层外接线路输出，第一电极层连接柔性压电材料和第一摩擦层，第二电极层位于转轴上部，通过导线连接线圈和第二摩擦层；
本实用新型所述悬臂梁的中部向内凹；
本实用新型所述第一摩擦层的接触面有弧形凹槽，第二摩擦层的接触面有对应的弧形凸起；
本实用新型所述第一摩擦层与第二摩擦层的接触面都为平面；
本实用新型所述第一摩擦层上摩擦表面有微观凸起；
本实用新型所述第二摩擦层下摩擦表面有微观凸起；
本实用新型所述第一摩擦层采用聚二甲基硅氧烷PDMS；
本实用新型所述第二摩擦层采用聚酰胺PA；
本实用新型所述柔性压电材料采用聚偏氟乙烯PVDF；
本实用新型所述柔性压电材料与第一摩擦层采用绝缘胶连接。
本实用新型的优点是：结构新颖，采用电磁、压电、摩擦三种机制复合作用进行振动能量采集，能量采集器整体采用简洁高效的对称型结构设计，提供了一种新型的人体运动机械能采集方式；采用悬臂梁设计，悬臂梁采用对称式内凹形结构，两侧置有质量块，增加力偶，增加了悬臂梁振动频率，有效增加了电能的输出量，提高能量采集效率；实用新型的转轴通过轴承与壳体连接，减小摩擦能量损耗，且相较于固定端约束的悬臂梁结构，转轴连接释放一个自由度，减少内应力的能量损耗；本实用新型采用压电陶瓷和柔性压电材料共同构成压电能量采集单元，综合了压电陶瓷能量采集效率高和柔性压电材料易变形，设计方便的优点，且在压电陶瓷上覆盖了缓冲层，压电能量采集单元的能量采集效率和使用寿命都有所提高。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型外观整体图；
图3是本实用新型摩擦结构方案一的结构示意图；
图4是本实用新型摩擦结构方案二外观整体图；
图5是本实用新型摩擦结构方案二的结构示意图；
图6是本实用新型悬臂梁及线圈缠绕示意图。
具体实施方式
采集器壳体1内部两侧对称置有磁极反向放置的“门”形永磁铁2，转轴3通过轴承4与壳体1连接，内凹形设计的悬臂梁5固连在转轴3上，悬臂梁5两端分别固定连接半球形质量块6，覆有缓冲层7的压电陶瓷8与质量块6一一对应、并安装于壳体1内部，悬臂梁5上缠绕有线圈9，线圈9外附有第二摩擦层11，第二摩擦层11与壳体1之间相应位置处依次为第一摩擦层10、柔性压电材料12与绝缘填充层13，采集的能量通过第一电极层14与第二电极层15外接线路输出，第一电极层14连接柔性压电材料12和第一摩擦层10，第二电极层15位于转轴3上部，通过导线连接线圈9和第二摩擦层11。
当人体运动提供振动激励时，绕有线圈9的悬臂梁5绕转轴3往复转动，并切割磁力线，依据电磁感应原理，产生电能输出，当悬臂梁5转动到临界位置时，第一摩擦层10和第二摩擦层11相接触并发生相对运动，产生摩擦电能输出；同时，位于壳体1内部上下侧的压电陶瓷8被质量块6撞击，覆于绝缘填充层13下的柔性压电材料12产生挤压变形，两者共同产生压电电能输出；
所述悬臂梁5的中部向内凹；
所述第一摩擦层10有弧形凹槽，第二摩擦层11有对应的弧形凸起；
所述第一摩擦层10与第二摩擦层11的接触面为平面；
所述第一摩擦层10上摩擦表面有微观凸起；
所述第二摩擦层11下摩擦表面有微观凸起；
所述永磁铁2采用产生强磁场的磁性材料，如铁氧体磁材料、铷铁硼磁材料、衫钻磁材料、铝镍钻磁材料等；
所述线圈9为表面覆盖绝缘层的导电性优异的金属线(如银、铜、铝及其合金等)有序缠绕而成；
所述压电陶瓷8采用传统的PZT材料，柔性压电材料12采用聚偏氟乙烯PVDF，缓冲层7含有导电硅胶，柔性压电材料12与绝缘填充层13的材料选择不会在压电能量单元形变产能的过程中产生过高的内应力；
所述第一摩擦层10采用聚二甲基硅氧烷PDMS，第二摩擦层11采用聚酰胺PA；
所述柔性压电材料12与第一摩擦层10采用绝缘胶连接，以减小多机制耦合的能量损耗。
如图2、图3，当悬臂梁旋转到临界位置，第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积可以达到最大，第一摩擦层10设计有弧形凹槽，第二摩擦层11有对应的弧形凸起，上下摩擦表面均采用微观凸起处理，该处理方式增加材料的有效摩擦面积，提高能量采集效率。
如图4、图5，为简化结构，降低生产难度及成本，第一摩擦层和第二摩擦层的凹凸型摩擦结构设计可以简化成平面型。
如图6，线圈9对称密绕于内凹形悬臂梁5上，悬臂梁两端置有半球形质量块6。
Claims (10)
1.一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：采集器壳体内部两侧对称置有磁极反向放置的“门”形永磁铁，转轴通过轴承与壳体连接，内凹形设计的悬臂梁固连在转轴上，悬臂梁两端分别固定连接半球形质量块，覆有缓冲层的压电陶瓷与质量块一一对应、并安装于壳体内部，悬臂梁上缠绕有线圈，线圈外附有第二摩擦层，第二摩擦层与壳体之间相应位置处依次为第一摩擦层、柔性压电材料与绝缘填充层，采集的能量通过第一电极层与第二电极层外接线路输出，第一电极层连接柔性压电材料和第一摩擦层，第二电极层位于转轴上部，通过导线连接线圈和第二摩擦层。
2.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述悬臂梁的中部向内凹。
3.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第一摩擦层的接触面有弧形凹槽，第二摩擦层的接触面有对应的弧形凸起。
4.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第一摩擦层与第二摩擦层的接触面都为平面。
5.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第一摩擦层上摩擦表面有微观凸起。
6.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第二摩擦层下摩擦表面有微观凸起。
7.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第一摩擦层采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
8.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述第二摩擦层采用聚酰胺PA。
9.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述柔性压电材料采用聚偏氟乙烯PVDF。
10.根据权利要求1所述的一种电磁摩擦压电复合式能量采集器，其特征在于：所述柔性压电材料与第一摩擦层采用绝缘胶连接。
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