CN219938039U - 一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，包括能量传输聚焦装置和能量转换装置，能量转换装置嵌入在能量传输聚焦装置的内部；能量传输聚焦装置包括固体外壳，置于固体外壳内的支撑脚，设于支撑脚上的平面弹簧和粘贴在平面弹簧正中心的谐振块；能量转换装置包括正极铝膜导电层、硅胶层和负极铝膜层；正极铝膜导电层粘贴于平面弹簧下端，设于固体外壳内表面中心；负极铝膜层粘贴在固体外壳底部内侧；硅胶层粘贴在负极铝膜层上部；硅胶层和负极铝膜层之间有空气间隙；正极铝膜导电层和负极铝膜层分别通过导线与外电路连接。能量传输聚焦装置将外部的振动能传输聚焦到装置内部转换为电能，在局域共振的条件下提高发电效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线能量传输装置，尤其涉及一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置。
背景技术
随着物联网和大数据时代的到来，各式各样的传感器得到了广泛的应用，随之而来的就是对无线充电的需求上升，因为采用无线供电设计不仅能够有效解决连线繁杂、线缆和接插件重量占比大的问题,又可以改善系统的可维护性和可扩展性，很好地适应了物联网和大数据时代的需求。目前无线充电技术主要依赖于电磁感应原理，但是基于此原理的无线充电通常存在一些弊端，例如设备经济成本投入较高、维修费用大，随着无线充电设备的距离和功率的增大，无用功的耗损也会越大的问题。而且在某些特定严苛的工作条件下，比如当为封闭固体内部的用电器进行供电时，基于电磁感应原理的无线充电设计会受困于金属的电磁屏蔽特性，很大程度上影响到适用的范围。因此，找到一种经济成本低廉、材料兼容性强的新无线能量传输方式就尤为具有价值。
实用新型内容
实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置。
技术方案：
一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，包括能量传输聚焦装置和能量转换装置，能量转换装置嵌入在能量传输聚焦装置的内部；
所述能量传输聚焦装置包括固体外壳，置于固体外壳内的支撑脚，设于支撑脚之上的平面弹簧和粘贴在平面弹簧正中心的谐振块；
所述能量转换装置包括正极铝膜导电层、硅胶层和负极铝膜层；其中，正极铝膜导电层粘贴于平面弹簧下端，设于固体外壳内表面中心；负极铝膜层粘贴在固体外壳底部内侧；硅胶层粘贴在负极铝膜层上部；所述硅胶层和负极铝膜层之间设有空气间隙；正极铝膜导电层和负极铝膜层分别通过导线与外电路连接。
进一步，所述固体外壳为圆柱体。
进一步，所述平面弹簧是由三组形状相同的平面弹簧单元构成的等边三角形散射体；三组平面弹簧单元围绕于平面弹簧的中心均匀分布，每组平面弹簧单元包括一个折叠机构；折叠机构的支点与固体外壳的内壁相连接。
进一步，所述折叠机构为S型，开设有两个U型槽；两个U型槽相互平行。
进一步，所述支撑脚为侧向放置的四棱台，三件支撑脚分别设于固体外壳内侧、折叠机构的支点下方。
进一步，所述谐振块有多个，置于平面弹簧的中心正上方依次竖直排放；每个谐振块之间吸附连接，置于最下方的谐振块与平面弹簧固定连接。
进一步，所述谐振块由磁铁材料制成。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型利用平面弹簧设计的能量传输聚焦装置，能够实现局域共振的振动能量聚焦，当外界振动激励的频率等于弹簧的本征频率时，该结构可以最大限度地将外界的振动能聚焦起来并利用，在局域共振的条件下提高了发电效率。
附图说明
图1为本实用新型的能量传输聚焦装置结构图；
图2为本实用新型的平面弹簧的结构图；
图3为本实用新型能量转换装置结构侧视图；
图4(a)本实用新型施加25Hz的激振时对应的输出电压波形；
图4(b)本实用新型施加29Hz的激振时对应的输出电压波形；
图4(c)本实用新型施加35Hz的激振时对应的输出电压波形；
图5为工作在最佳频率29Hz下时，摩擦纳米发电机输出功率与外电路连接负载关系图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做详细说明。
本实用新型提供的一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，包括能量传输聚焦装置1和嵌入在能量传输聚焦装置1内部的能量转换装置2，具体结构如下：
如图1所示为本实用新型的能量传输聚焦装置1结构图，包括固体外壳11，支撑脚12、平面弹簧13和四个钕磁铁谐振块14。其中，固体外壳11为圆柱体，由3D打印的聚乳酸材料(PLA)制成，其内径为174mm，侧壁和下壁厚度为1.5mm，高度为6.5mm。固体外壳11的作用是为了传导机械能。
固体外壳11内设有三件支撑脚12，三件支撑脚12为侧向放置的四棱台，每个支撑脚12的高度为3mm，分别设于固体外壳(11)内侧、折叠机构(132)的支点下方。支撑脚12是为了支撑平面弹簧13，让平面弹簧13上下振动，使得传递的机械能可以传递给平面弹簧13。
支撑脚12之上放置有厚度为2mm的平面弹簧13，具体结构如图2所示，平面弹簧13是由三组形状相同的平面弹簧单元131构成的等边三角形散射体；三组平面弹簧单元131围绕于平面弹簧13的中心分布，每组平面弹簧单元131包括一个折叠机构132；折叠机构132为S型，上面开设有两个相互平行的U型槽133，U型槽133开口的宽度g＝3mm；折叠机构132的支点与固体外壳11的内壁相连接。平面弹簧13的具体参数设定如下：m＝27.5mm，n＝35mm，d＝16mm，b＝12mm，L＝50mm，w＝20mm。
在平面弹簧13的正中心放置有四个质量为1.7g的钕磁铁谐振块14，四个谐振块14依次竖直排放，每个谐振块14之间吸附连接。其中，置于下方的谐振块14与平面弹簧13固定连接。
如图3所示为本实用新型的能量转换装置2结构侧视图，能量转换装置2即为接触分离式的摩擦纳米发电机，包括正极铝膜导电层21、硅胶层22和负极铝膜层23。其中，正极铝膜导电层21粘贴于平面弹簧13，固体外壳11内表面中心；负极铝膜层23粘贴在固体外壳11底部内侧；其中，正极铝膜导电层21和负极铝膜层23负责导电，所产生的电能通过导线分别与铝膜导电层21和负极铝膜层23相连再接入外电路。硅胶层22粘贴在负极铝膜层23上部。硅胶层22和负极铝膜层23之间相距有3mm的空气间隙。导线分别与正极铝膜导电层21和负极铝膜层23相连再接入外电路。
本实用新型的具体工作过程及原理如下：
在固体外壳11一侧用激振器施加振动激励，机械波通过封闭固体外壳11以及三个支撑脚12传输到达平面弹簧13，当激励频率为平面弹簧13与谐振块14组成整体的本征频率时，装置将会最大程度地聚焦振动能。由于平面弹簧13本身的旋转稳定性，即能够在不绕轴旋转的情况下产生较大位移，其受到外力时会在垂直于平台的方向上产生较大振动，且在其他方向上相对僵硬的特性，材料电负性差异较大的硅胶层22和负极铝膜层23可以充分地周期性接触与分离，硅胶层22和负极铝膜层23在接触分离过程中带上异种电荷。在分离后，硅胶层22和负极铝膜层23上的电极因处于不同电荷区域而具有相反的电势，即两电极之间存在电势差。当两电极导通时，导线中的电子就会在电势差的作用下向电势高的电极(带正电薄膜的电极)运动，在带正电的薄膜电极上富集负电荷，带负电的薄膜电极上留下正电荷，从而形成电流。硅胶层22和负极铝膜层23接触后，薄膜上的正负电荷接触，束缚电荷所形成的电势差消失，原本两电极上富集的异种电荷将形成新的电势差，驱使电子回流，电极上正负电荷中和，外电路导通情况下形成相反方向的电流。于此，在硅胶层22和负极铝膜层23周期性的接触分离下，导通的外电路也就形成了交变电流。通过这一系列完整过程，装置将封闭固体外壳11外部激振的机械能转换成为外电路中的电能，转换而来的电能可以在后续过程中经整流存储后加以利用。
在低频区间调节激振器的频率，使激振器与平面弹簧13和谐振块14组成的整体达到局域共振的效果，再在正极铝膜导电层21和负极铝膜层23处分别引出导线，分别测量了不同频率时输出电压的输出。为了获得更准确的实验数据，使用信号发生器分别摩擦纳米发电机在25Hz、29Hz和35Hz激振频率下的电压输出曲线，结果如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，结果表明，当摩擦纳米发电机分别处于25Hz、35Hz的激振频率下时，输出的交流电压的峰峰值为313.551V和371.752V，而在29Hz的激振频率下，即平面弹簧13与谐振块14组成整体的本征频率与激振频率相同，实现局域共振时，输出交流电压峰峰值达到最大值412.794V，可知工作在29Hz时输出交流电压的峰峰值更大，获得转化而来的电能最多，且工作在最佳频率29Hz下时，摩擦纳米发电机输出功率与外电路连接负载大小关系如图5所示，当外电路所接负载为19MΩ时，发电机输出功率达到最大值858μW。
Claims (7)
1.一种局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，包括能量传输聚焦装置(1)和能量转换装置(2)，能量转换装置(2)嵌入在能量传输聚焦装置(1)的内部，其特征在于：
所述能量传输聚焦装置(1)包括固体外壳(11)，置于固体外壳(11)内的支撑脚(12)，设于支撑脚(12)之上的平面弹簧(13)和粘贴在平面弹簧(13)正中心的谐振块(14)；
所述能量转换装置(2)包括正极铝膜导电层(21)、硅胶层(22)和负极铝膜层(23)；其中，正极铝膜导电层(21)粘贴于平面弹簧(13)下端，设于固体外壳(11)内表面中心；负极铝膜层(23)粘贴在固体外壳(11)底部内侧；硅胶层(22)粘贴在负极铝膜层(23)上部；所述硅胶层(22)和负极铝膜层(23)之间设有空气间隙；正极铝膜导电层(21)和负极铝膜层(23)分别通过导线与外电路连接。
2.如权利要求1所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述固体外壳(11)为圆柱体。
3.如权利要求1所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述平面弹簧(13)是由三组形状相同的平面弹簧单元(131)构成的等边三角形散射体；三组平面弹簧单元(131)围绕于平面弹簧(13)的中心均匀分布，每组平面弹簧单元(131)包括一个折叠机构(132)；折叠机构(132)的支点与固体外壳(11)的内壁相连接。
4.如权利要求3所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述折叠机构(132)为S型，开设有两个U型槽(133)；两个U型槽(133)相互平行。
5.如权利要求3所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述支撑脚(12)为侧向放置的四棱台，三件支撑脚(12)分别设于固体外壳(11)内侧、折叠机构(132)的支点下方。
6.如权利要求1所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述谐振块(14)有多个，置于平面弹簧(13)的中心正上方依次竖直排放；每个谐振块(14)之间吸附连接，置于最下方的谐振块(14)与平面弹簧(13)固定连接。
7.如权利要求1所述的局域共振性能增强的纳米能源无线能量传输装置，其特征在于，所述谐振块(14)由磁铁材料制成。
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