CN102611351A - 压电-磁电混合能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电-磁电混合能量收集装置，属于微电源节能技术领域。该装置包括能量收集模块、整流电路、储能调压电路和负载。能量收集模块包括多个能量收集单元。能量收集单元包括固定底座(1)、固定支座(2)、悬臂梁(3)、压电片(4)、永磁铁(5)、线圈(6)和引线（7）。各个能量收集单元的结构相同，悬臂梁的长度不同。相邻单元的永磁铁N、S极相向放置。本发明具有结构简单，安装方便，能量收集效率高，工作频带宽的特点，可应用于无线传感器网络的电源供应装置。

Description

压电-磁电混合能量收集装置
技术领域
本发明涉及一种压电-磁电混合能量收集装置，属于微电源节能技术领域。
背景技术
能量收集装置主要应用于清洁能源、微电源技术领域，是将环境中分散的能量转换为可利用电能的微型发电装置，通常配合超级电容或充电电池和能量管理电路使用，将收集到的环境能量存储起来，同时实现对负载的供电。微电子、无线网络和MEMS等低功耗产品得到了大力发展，低功率的嵌入式电子装置将会成为我们日常生活中的一部份，如果不使用高成本的传统有线供电，怎样给密集的网络中成千上万的传感器供电将成为问题的关键。而传统电池成本高、需要定期更换且易造成环境污染，并且由于有些微器件的工作位置难以触及, 电池更换变得很不便甚至不可能。除此之外, 在许多不能提供能源或者易燃易爆等危险场所时, 电池更换问题更是难以解决。因此，如何为传感器节点提供稳定、持久、可靠、清洁、廉价的能源成为目前国内外研究的热点。环境中可利用的能源种类很多，如太阳能、风能、热能、振动机械能等等，其中振动能量无处不在，如汽车振动，运动振动，工厂机械振动等等，振动能量收集可分为压电式，静电式，磁电式等等，其中压电式和磁电式能量收集方式可以很好地结合，提高能量收集效率。
发明内容
本发明提供了一种结构简单，运行可靠，能大幅提高能量收集效率且具有较宽工作频带的压电-磁电混合能量收集装置。
 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种压电-磁电混合能量收集装置，由能量收集模块、整流电路、储能调压电路和负载顺序连接而成，能量收集模块包括多个能量收集单元，其中能量收集单元包括固定底座、固定支座、悬臂梁、压电片、永磁铁、线圈和引线，固定底座上设置有固定支座，固定支座上装有经固定连接的悬臂梁，悬臂梁的上下表面附有压电片，悬臂梁的悬空端部装附横向的永磁铁，永磁铁两端偏下固定底座上放置有两个串联线圈，线圈和压电片连接引线。
所述的能量收集单元结构相同，能量收集单元的悬臂梁相互平行，但每个能量收集单元中的悬臂梁长度不同。
所述的能量收集单元中永磁铁的极化方向为长度方向，相邻能量收集单元的永磁铁N、S极相向放置。
所述的能量收集单元能量收集方式为压电磁电混合方式。
所述的能量收集单元中线圈设置在固定底座上，线圈平面垂直于固定底座，与永磁铁两极表面平行，线圈间距稍大于永磁铁的长度。
所述的能量收集单元中压电片通过导电胶粘贴到基板上，基板为导电材料，压电片上下各有一片，上下压电片的上下表面连接一根引线作为输出电压端的一极，另一极引线由中间基板引出。
本发明的有益效果如下：
1、结构简单，安装方便，能量收集效率高，工作频带宽。
2、可替代化学电池或者结合充电电池使用，不需要更换电池和频繁维护；无环境污染，属于高效清洁电源。
3、实现整流、储能和调压功能，满足了当前无线传感器网络发展的需要。
附图说明
图1为压电-磁电混合能量收集装置结构示意图。
图2为能量收集单元的结构示意图，其中：1、固定底座；2、固定支座；3悬臂梁；4、压电片；5、永磁铁；6、线圈；7、引线。
图3为能量收集模块中多个能量收集单元的放置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明创造做进一步详细说明。
如图1所示的压电-磁电混合能量收集装置，由能量收集模块、整流电路、储能调压电路和负载顺序连接而成。能量收集模块包括多个悬臂梁3长度不等，悬臂梁3相互平行的能量收集单元。
能量收集单元的具体结构如图2所示，包括固定底座1和设置在固定底座1上的固定支座2，固定支座2上装有经固定连接的悬臂梁3，悬臂梁3的上下表面附有压电片4，悬臂梁的悬空端部装附横向放置的长方体永磁铁5，永磁铁5两端偏下固定底座1上放置有两个串联线圈6，线圈6和压电片4连接引线7。各个能量收集单元的结构相同，悬臂梁3的长度不同。能量收集单元的悬臂梁相互平行，相邻单元的永磁铁N、S极相向放置。
由外部环境振动引起本装置的振动，悬臂梁带动永磁铁上下振动，振动过程中线圈与磁铁的相对运动导致通过线圈的磁通发生有规律的改变，从而在线圈中产生感应电动势，相邻能量收集单元的永磁铁N，S极相向放置可有效增强磁场，增大输出电压，同时振动使悬臂梁3弯曲变形，压电片4受压，压电片4上下表面积聚大量电荷，产生相应的电压。当振动源振动形式为正弦波时，感应电动势和压电片电压也是正弦规律，产生感应电动势和压电片电压的大小与装置自身结构特征有关，每个能量收集单元在固有频率时达到最大输出值，效率最高。该频率即是单个能量收集单元的最优工作频率，本装置采用多个能量收集单元，具有多个悬臂梁，悬臂梁长度各不相同如图3所示。装置各个能量收集单元的中心工作频率不同，但是频带相互交叠，总频带得到拓宽，适应的工作频率范围更广。整流电路和储能调压电路对能量收集模块的输出进行必要的电能转换后对负载供电。
可见，本发明具备结构简单，安装方便，能量收集效率高，频带宽的优点，同时实现整流、储能和调压功能，可替代化学电池或者结合超级电容和充电电池使用，使装置满足无线传感器网络节点自供能的需求。

Claims (6)

1.一种压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于由能量收集模块、整流电路、储能调压电路和负载顺序连接而成，能量收集模块包括多个能量收集单元，其中能量收集单元包括固定底座(1)、固定支座(2)、悬臂梁(3)、压电片(4)、永磁铁(5)、线圈(6)和引线（7），固定底座(1)上设置有固定支座(2)，固定支座(2)上装有经固定连接的悬臂梁(3)，悬臂梁(3)的上下表面附有压电片(4)，悬臂梁的悬空端部装附横向的永磁铁(5)，永磁铁(5)两端偏下固定底座（1）上放置有两个串联线圈(6)，线圈（6）和压电片（4）连接引线（7）。
2.根据权利要求1所述的压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于所述的能量收集单元结构相同，能量收集单元的悬臂梁（3）相互平行，但每个能量收集单元中的悬臂梁（3）长度不同。
3.根据权利要求1所述的压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于所述的能量收集单元中永磁铁（5）的极化方向为长度方向，相邻能量收集单元的永磁铁（5）N、S极相向放置。
4.根据权利要求1所述的压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于所述的能量收集单元能量收集方式为压电磁电混合方式。
5.根据权利要求1所述的压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于所述的能量收集单元中线圈（6）设置在固定底座（1）上，线圈（6）平面垂直于固定底座（1），与永磁铁（5）两极表面平行，线圈（6）间距稍大于永磁铁（5）的长度。
6.根据权利要求1所述的压电-磁电混合能量收集装置，其特征在于所述的能量收集单元中压电片（4）通过导电胶粘贴到基板上，基板为导电材料，压电片（4）上下各有一片，上下压电片（4）的上下表面连接一根引线（7）作为输出电压端的一极，另一极引线（7）由中间基板引出。
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