CN113224975A - 一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，涉及新能源领域，包括连接振源的支柱、底部连接有CTS型弹簧隔振器的外轮壳、内圈辐射充磁的环形永磁体和至少四个发电单元，所述CTS型弹簧隔振器远离外轮壳的一端连接振源，所述环形永磁体设置在支柱上，所述环形永磁体的中心和外轮壳的圆心重合，至少四个所述发电单元绕环形永磁体中心等角度设置在外轮壳的内表面凹槽中。本发明可弥补现有的振动能量收集技术中能量收集装置只能在某个固定方向振动、能够收集到的振动频带窄、能量收集效率低等缺陷；本发明可以应用的场合非常广泛，即使工作环境中存在多方向、多频率的振动，也能有效收集工作环境中的振动能量。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体为一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置。
背景技术
当前，物联网发展迅猛，物联网就是“万物相连的互联网”，数量巨大的各种信息传感器、射频识别技术、GPS等各种装置和技术与网络结合起来，共同形成物联网这样一个庞大的网络***，可以实现在任何时间、任何地点的人、机、物的互联互通。物联网中数以万计的各种信息传感器往往需要无间断地工作，因此，制约物联网技术发展的一个关键因素就是信息传感器的能量供应问题。
传统电池的供能寿命有限、电池封装工艺复杂并且使用过程中容易漏液，使用传统电池容易对自然环境造成严重毒性污染。传统电池本身的结构与尺寸也相对固定，这就限制了信息传感器结构的多样化。在一个庞大的物联网中，数以万计的信息传感器被分散安装在不同的地方，大部分传感器的安装环境恶劣，根本无法为其更换电池或为其更换电池的成本太高，这些问题的解决迫切需要一种能够实现传感器自供电的技术。注意到工作环境中存在着丰富的振动能，通过新能源技术可以把工作环境中广泛存在的振动能利用起来，为无线传感器***供电。
振动能量收集器的实现主要通过以下三种方式：压电式、电磁式和静电式。压电振动能量收集器的基本原理是正压电效应，可以实现机械能到电能的转化。电磁振动能量收集器的基本原理是法拉第电磁感应定律，可以实现磁能到电能的转化。静电振动能量收集器采用可变电容结构，通过两块板之间的相对运动产生电荷，但其工作一般需要外部电压源，并且能量收集效率低、制作精度要求高，这限制了静电式的发展与应用。因此，振动能量收集器较常用的方式是压电式和电磁式。近年来，国内外学者研究出了多种能量收集装置，包括多频率能量采集器、三轴球压电装置、全方向打击式能量收集装置、立方体-质量块结构、三自由度阵列式、线形-拱形组合梁和碰撞磁斥力双稳态结构等等。
虽然目前对振动能量收集器的研究已经取得了一定进展，但是物联网中各类信息传感器所安装的环境中的振动是低频、多方向且无规律的，如何有效收集此类工作环境中的振动能量是亟待解决的难题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，包括连接振源的支柱、底部连接有CTS型弹簧隔振器的外轮壳、内圈辐射充磁的环形永磁体和至少四个发电单元，所述CTS型弹簧隔振器远离外轮壳的一端连接振源，所述环形永磁体设置在支柱上，所述环形永磁体的中心和外轮壳的圆心重合，至少四个所述发电单元绕环形永磁体中心等角度设置在外轮壳的内表面凹槽中。
所述发电单元包括永磁体弹簧组合梁组件和PVDF压电梁组件。
所述永磁体弹簧组合梁组件包括上横梁、下横梁、上端永磁体及其底部的碰撞块、下端质量块及其顶部的碰撞块、按中心轴对称的一对线形-拱形组合梁、一对PVDF压电薄膜材料、一对上圆盘支柱、一对下圆盘支柱、一对下端永磁体、一对弹簧及其导杆，所述PVDF压电薄膜材料平整地附着在线形-拱形组合梁上，所述线形-拱形组合梁的上下两端分别连接上横梁与下横梁，且底端与上圆盘支柱相连，所述下端永磁体被上圆盘支柱和下圆盘支柱固定，所述下圆盘支柱连接弹簧及其导杆，所述弹簧及其导杆的底端固定在外轮壳的内表面，所述上端永磁体设置在上横梁上，所述下端质量块设置在下横梁上。
所述PVDF压电梁组件包括上框架、下框架、导电支柱、PVDF压电梁、推进块、锁死螺栓，所述上框架与下框架俯视为回字形中空长方形结构，所述推进块设置在上框架与下框架之间且可以沿平行于上、下框架表面方向来回移动，所述锁死螺栓螺纹连接在上框架上且与推进快相对应，所述PVDF压电梁的一端由上框架和下框架夹紧，另一端置于推进块内侧的缝隙中夹紧，所述下框架通过导电支柱与外轮壳的内表面相连。
所述碰撞快一、碰撞快二分别与PVDF压电梁的上下两面相对应。
优选的，所述PVDF压电梁组件还包括一对空心线圈一、空心线圈二，所述空心线圈一、空心线圈二为多层线圈，匝数为1250，每层线圈为单相同心式绕组平面线圈，每层线圈之间有绝缘隔离材料，所述空心线圈一、空心线圈二为圆形空心结构，线圈围绕其轴心相邻排列，所述空心线圈一、空心线圈二分别固定在两个导电支柱的下部，所述空心线圈一、空心线圈二分别围绕在两个下端永磁体1/2的下半部分及以下。
优选的，所述环形永磁体采用内圈辐射充磁方式充磁，环的内表面为S极，环的外表面为N极。
优选的，所述上端永磁体和下端质量块分别固定在上横梁和下横梁的中间位置，所述碰撞块一设置在上端永磁体的下表面中心位置，所述碰撞块二设置在下端质量块的上表面的中心位置，所述碰撞块一、碰撞块二与PVDF压电梁的凹陷最深处上下对应。
优选的，所述下横梁在下端质量块两侧附近对称位置开有两个小孔，小孔用于穿过导电支柱。
优选的，所述上框架与下框架通过上框架四角螺纹连接的固定螺栓连接并且栓紧。
优选的，各所述发电单元的上端永磁体和下端质量块的质量为相同或不同。
优选的，各所述发电单元的上端永磁体的磁极为上表面N极，即与内圈辐射充磁的环形永磁体的外表面的磁极相同。
优选的，所述环形永磁体、上端永磁体、下端质量块均为钕铁硼合金。
(三)有益效果
本发明提供了一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置。具备以下有益效果：
1、该风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，本发明可弥补现有的振动能量收集技术中能量收集装置只能在某个固定方向振动、能够收集到的振动频带窄、能量收集效率低等缺陷；本发明可以应用的场合非常广泛，即使工作环境中存在多方向、多频率的振动，也能有效收集工作环境中的振动能量。
附图说明
图1为本发明的发电单元示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的侧视图。
图中：101支柱、102环形永磁体、103外轮壳、104CTS型弹簧隔振器、105发电单元、201上端永磁体、202下端质量块、203碰撞块一、204碰撞块二、205上横梁、206下横梁、207线形-拱形组合梁、208PVDF压电薄膜材料、209上圆盘支柱、210下圆盘支柱、211下端永磁体、212弹簧及其导杆、301上框架、302下框架、303导电支柱、304空心线圈一、305空心线圈二、306PVDF压电梁、307推进块、308固定螺栓、309锁死螺栓。
具体实施方式
本发明实施例提供一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，如图1-3所示，包括连接振源的支柱101、底部连接有CTS型弹簧隔振器104的外轮壳103、内圈辐射充磁的环形永磁体102和至少四个发电单元105，CTS型弹簧隔振器104远离外轮壳103的一端连接振源，环形永磁体102设置在支柱101上，环形永磁体102的中心和外轮壳103的圆心重合，至少四个发电单元105绕环形永磁体102中心等角度设置在外轮壳103的内表面凹槽中。
发电单元105包括永磁体弹簧组合梁组件和PVDF压电梁组件。
永磁体弹簧组合梁组件包括上横梁205、下横梁206、上端永磁体201及其底部的碰撞块203、下端质量块202及其顶部的碰撞块204、按中心轴对称的一对线形-拱形组合梁207、一对PVDF压电薄膜材料208、一对上圆盘支柱209、一对下圆盘支柱210、一对下端永磁体211、一对弹簧及其导杆212，PVDF压电薄膜材料208平整地附着在线形-拱形组合梁207上，线形-拱形组合梁207的上下两端分别连接上横梁205与下横梁206，且底端与上圆盘支柱209相连，下端永磁体211被上圆盘支柱209和下圆盘支柱210固定，下圆盘支柱210连接弹簧及其导杆212，弹簧及其导杆212的底端固定在外轮壳103的内表面，上端永磁体201设置在上横梁205上，下端质量块202设置在下横梁206上。
环形永磁体102采用内圈辐射充磁方式充磁，环的内表面为S极，环的外表面为N极。各发电单元105的上端永磁体201的磁极为上表面N极，即与内圈辐射充磁的环形永磁体102的外表面的磁极相同。
环形永磁体102、上端永磁体201、下端质量块202均为钕铁硼合金。
发电组件一：装配好该装置后，使该装置受到振动激励，内圈辐射充磁的环形永磁体102也会发生受迫振动。环形永磁体102内圈为S极，外圈为N极，假设某时刻振动方向向下，环形永磁体102和上端永磁体201由于相对面极性相同，上端永磁体201受到方向向下的排斥力。此时，一对线形-拱形组合梁207结构发生形变，使附着在其上的一对PVDF压电薄膜材料208随之发生形变。PVDF体内之电偶极矩因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这一变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”，机械能由此转化成了电能。
PVDF压电梁组件包括上框架301、下框架302、导电支柱303、PVDF压电梁306、推进块307、锁死螺栓309，上框架301与下框架302俯视为回字形中空长方形结构，推进块307设置在上框架301与下框架302之间且可以沿平行于上、下框架表面方向来回移动，锁死螺栓309螺纹连接在上框架301上且与推进快307相对应，以使PVDF压电梁306处于一个适合于应用环境的弯曲挠度。推进块307越向左移，PVDF压电梁306的弯曲挠度越大，所需要的碰撞力越大，产生的电能也越多，适用于激振力大的场合；推进块307越向右移，PVDF压电梁306的弯曲挠度越小，所需要的碰撞力越小，产生的电能也越少，适用于激振力小的场合。PVDF压电梁306的一端由上框架301和下框架302夹紧，另一端置于推进块307内侧的缝隙中夹紧，下框架302通过导电支柱303与外轮壳103的内表面相连。上框架301与下框架302通过上框架301四角螺纹连接的固定螺栓308连接并且栓紧。
碰撞快一203、碰撞快二204分别与PVDF压电梁306的上下两面相对应。
上端永磁体201和下端质量块202分别固定在上横梁205和下横梁206的中间位置，碰撞块一203设置在上端永磁体201的下表面中心位置，碰撞块二204设置在下端质量块202的上表面的中心位置。各发电单元105的上端永磁体201和下端质量块202的质量为相同或不同，以达到降低并改变发电单元105自身谐振频率的目的，使之更好适用于特定工作环境。碰撞块一203、碰撞块二204与PVDF压电梁306的凹陷最深处上下对应。
发电组件二：PVDF压电梁306的初始状态由于推进块307的调整为上凸，在上端永磁体201受到方向向下的排斥力的同时，整个永磁体-弹簧组合梁结构也会受力向下位移，这就使得碰撞块一203对PVDF压电梁306发生碰撞，使其状态由上凸变为下凹。由于底部弹簧及其导杆212结构的存在，这种向下运动的状态不会保持，弹簧为了恢复原状，会对永磁体-弹簧组合梁结构施以一个向上的弹力，整个结构又会被迫向上位移，过程中，碰撞块二204对PVDF压电梁306发生碰撞，使其状态由下凹变为上凸。PVDF压电梁306在如此往复的过程中，状态不断由上凸转换为下凹，又由下凹转换为上凸，周而复始，由于不断发生形变而不断产生电能。
PVDF压电梁组件还包括一对空心线圈一304、空心线圈二305，空心线圈一304、空心线圈二305为多层线圈，匝数为1250，每层线圈为单相同心式绕组平面线圈，每层线圈之间有绝缘隔离材料，空心线圈一304、空心线圈二305为圆形空心结构，线圈围绕其轴心相邻排列，空心线圈一304、空心线圈二305分别固定在两个导电支柱303的下部，空心线圈一304、空心线圈二305分别围绕在两个下端永磁体2111/2的下半部分及以下。
下横梁206在下端质量块202两侧附近对称位置开有两个小孔，小孔用于穿过导电支柱303。
发电组件三：在上端永磁体201受到方向向下的排斥力的同时，整个永磁体-弹簧组合梁结构也会受力产生方向向下的位移，第二部分固定在导电支柱303下方的一对空心线圈一304、空心线圈二305，围绕在第一部分下端永磁体1/2的下半部分及以下。下端永磁体211向下位移时，会逐渐***空心线圈一304、空心线圈二305，使得空心线圈一304、空心线圈二305的磁通量增大，由于底部弹簧及其导杆212结构的存在，下端永磁体211随后又会向上位移，下端永磁体211逐渐抽出空心线圈一304、空心线圈二305，使得空心线圈一304、空心线圈二305的磁通量减小。空心线圈一304、空心线圈二305在如此往复的过程中，磁通量不断发生变化，根据法拉第电磁感应定律，空心线圈一304、空心线圈二305不断产生感应电流。
当本装置不受振动源激励时，整个装置内部保持稳定，受力平衡。被安装在水平、竖直方向的至少四个发电单元105底部的弹簧，在静止时都因受到来自环形永磁体102各向排斥力而处于微小的压缩状态。这种结构就使得来自任意方向的振动源激励，都能使全部发电单元105发生相应方向的位移，进而最终产生电能，有效收集工作环境中的振动能量。
本装置的每个发电单元105的三个组件都能把工作环境中的振动能转化成电能，该装置整体可以有效地收集利用工作环境中广泛存在的多方向、宽频带的振动能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：包括连接振源的支柱(101)、底部连接有CTS型弹簧隔振器(104)的外轮壳(103)、内圈辐射充磁的环形永磁体(102)和至少四个发电单元(105)，所述CTS型弹簧隔振器(104)远离外轮壳(103)的一端连接振源，所述环形永磁体(102)设置在支柱(101)上，所述环形永磁体(102)的中心和外轮壳(103)的圆心重合，至少四个所述发电单元(105)绕环形永磁体(102)中心等角度设置在外轮壳(103)的内表面凹槽中；
所述发电单元(105)包括永磁体弹簧组合梁组件和PVDF压电梁组件；
所述永磁体弹簧组合梁组件包括上横梁(205)、下横梁(206)、上端永磁体(201)及其底部的碰撞块(203)、下端质量块(202)及其顶部的碰撞块(204)、按中心轴对称的一对线形-拱形组合梁(207)、一对PVDF压电薄膜材料(208)、一对上圆盘支柱(209)、一对下圆盘支柱(210)、一对下端永磁体(211)、一对弹簧及其导杆(212)，所述PVDF压电薄膜材料(208)平整地附着在线形-拱形组合梁(207)上，所述线形-拱形组合梁(207)的上下两端分别连接上横梁(205)与下横梁(206)，且底端与上圆盘支柱(209)相连，所述下端永磁体(211)被上圆盘支柱(209)和下圆盘支柱(210)固定，所述下圆盘支柱(210)连接弹簧及其导杆(212)，所述弹簧及其导杆(212)的底端固定在外轮壳(103)的内表面，所述上端永磁体(201)设置在上横梁(205)上，所述下端质量块(202)设置在下横梁(206)上；
所述PVDF压电梁组件包括上框架(301)、下框架(302)、导电支柱(303)、PVDF压电梁(306)、推进块(307)、锁死螺栓(309)，所述上框架(301)与下框架(302)俯视为回字形中空长方形结构，所述推进块(307)设置在上框架(301)与下框架(302)之间且可以沿平行于上、下框架表面方向来回移动，所述锁死螺栓(309)螺纹连接在上框架(301)上且与推进快(307)相对应，所述PVDF压电梁(306)的一端由上框架(301)和下框架(302)夹紧，另一端置于推进块(307)内侧的缝隙中夹紧，所述下框架(302)通过导电支柱(303)与外轮壳(103)的内表面相连；
所述碰撞快一(203)、碰撞快二(204)分别与PVDF压电梁(306)的上下两面相对应。
2.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述PVDF压电梁组件还包括一对空心线圈一(304)、空心线圈二(305)，所述空心线圈一(304)、空心线圈二(305)为多层线圈，匝数为1250，每层线圈为单相同心式绕组平面线圈，每层线圈之间有绝缘隔离材料，所述空心线圈一(304)、空心线圈二(305)为圆形空心结构，线圈围绕其轴心相邻排列，所述空心线圈一(304)、空心线圈二(305)分别固定在两个导电支柱(303)的下部，所述空心线圈一(304)、空心线圈二(305)分别围绕在两个下端永磁体(211)1/2的下半部分及以下。
3.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述环形永磁体(102)采用内圈辐射充磁方式充磁，环的内表面为S极，环的外表面为N极。
4.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述上端永磁体(201)和下端质量块(202)分别固定在上横梁(205)和下横梁(206)的中间位置，所述碰撞块一(203)设置在上端永磁体(201)的下表面中心位置，所述碰撞块二(204)设置在下端质量块(202)的上表面的中心位置，所述碰撞块一(203)、碰撞块二(204)与PVDF压电梁(306)的凹陷最深处上下对应。
5.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述下横梁(206)在下端质量块(202)两侧附近对称位置开有两个小孔，小孔用于穿过导电支柱(303)。
6.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述上框架(301)与下框架(302)通过上框架(301)四角螺纹连接的固定螺栓(308)连接并且栓紧。
7.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：各所述发电单元(105)的上端永磁体(201)和下端质量块(202)的质量为相同或不同。
8.根据权利要求2所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：各所述发电单元(105)的上端永磁体(201)的磁极为上表面N极，即与内圈辐射充磁的环形永磁体(102)的外表面的磁极相同。
9.根据权利要求1所述的一种风车状多方向宽频带压电电磁振动能量收集装置，其特征在于：所述环形永磁体(102)、上端永磁体(201)、下端质量块(202)均为钕铁硼合金。
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