CN208143112U - 一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，包括与外部激励源固定的结构基座，所述结构基座顶部与支撑梁弹性基板的一端连接，在支撑梁弹性基板的一端的顶部活动连接有悬臂梁弹性基板的一端，所述支撑梁弹性基板的另一端的顶部依次设有摩擦缓冲层、电极层，支撑梁弹性基板的另一端的底部设有电磁感应线圈，所述悬臂梁弹性基板的另一端的顶部设有磁铁，悬臂梁弹性基板的另一端的底部依次设有摩擦缓冲层、电极层、硅胶薄膜层，所述悬臂梁弹性基板的顶部设有压电组件。本实用新型解决了现有的振动能量采集装置有特定固有频率，当外界激励偏离其固有频率时，能量利用率低的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于能量转化器件技术领域，涉及一种能适应外部振动环境的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器。
背景技术
环境振动能作为常见的能量形式,广泛存在于各种电机控制设备，交通运输装备及生物体的活动中。采集环境中的振动能量，对于解决各种便携式电子设备、电子监测器件、传感网络的能源稳定供给问题，具有重要的研究意义和使用价值；同时，也为解决传统蓄电池供电方式使用寿命有限、环境污染严重等问题提供了研究的新思路。现有的振动能量采集装置有特定固有频率，当外界激励偏离其固有频率时，能量利用率低。
发明内容
本实用新型解决了现有技术的不足，提供了一种可以调节***固有频率，实现能量采集装置与外部激励源的有效匹配的臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器。
本实用新型为了实现上述目的所采用的技术方案是：
一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，包括与外部激励源固定的结构基座，所述结构基座顶部与支撑梁弹性基板的一端连接，在支撑梁弹性基板的一端的顶部活动连接有悬臂梁弹性基板的一端，所述支撑梁弹性基板的另一端的顶部依次设有摩擦缓冲层、电极层，支撑梁弹性基板的另一端的底部设有电磁感应线圈，所述悬臂梁弹性基板的另一端的顶部设有磁铁，悬臂梁弹性基板的另一端的底部依次设有摩擦缓冲层、电极层、硅胶薄膜层，所述悬臂梁弹性基板的顶部设有压电组件。本实用新型的结构基座与外部激励源固定，支撑梁弹性基板与悬臂梁弹性基板的一端与结构基座固定，在受外部激励源振动激励时，弹性强度不同的支撑梁弹性基板和悬臂梁弹性基板弹性形变不同，在作为悬臂梁弹性基板质量块的圆柱形磁铁的辅助作用下，摩擦发电单元的相对摩擦层在弹性基板另一端形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应的耦合作用在外电路产生电流；同时，在悬臂梁弹性基板另一端的圆柱形磁铁有较大的运动位移，使通过支撑梁弹性基板另一端的电磁感应线圈的磁通量发生变化，产生电磁感应电流；粘贴在悬臂梁弹性基板表面的压电组件发生弯曲形变，产生压电输出。本实用新型使摩擦发电单元、电磁发电单元和压电发电单元协同工作，通过调节弹性基板一端在结构基座的固定位置调节发电装置固有频率，适应外部振动环境的频率改变，更加有效转化环境中的振动能量。
进一步地，所述悬臂梁弹性基板的一端至压电组件之间设有等距的与结构基座固定的通孔；所述支撑梁弹性基板的一端至另一端之间设有等距的与悬臂梁弹性基板上的通孔相对应且与结构基座固定的通孔。本实用新型在支撑梁弹性基板、悬臂梁弹性基板对应位置各留等距的多个通孔，根据外部激励源频率选择合适通孔与结构基座固定，保持***振动的稳定性，其通孔位置可调，以适应外界振动激励源变化。
进一步地，所述支撑梁弹性基板与悬臂梁弹性基板的固定处之间设有基板垫片，并通过通孔，利用螺栓与结构基座固定。
优选的，所述支撑梁弹性基板的弹性模量大于与悬臂梁弹性基板的弹性模量。支撑梁弹性基板、悬臂梁弹性基板为不同弹性模量材质，支撑梁弹性基板具有较大的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较小，悬臂梁弹性基板具有较小的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较大。所述支撑梁弹性基板不能被磁化，不会被磁铁吸引。悬臂梁弹性基板能够被磁化，会被磁铁吸引，从而与圆柱形磁铁形成更牢固的连接。在外部激励源作用下，上部的悬臂梁弹性基板的自由端产生较大弯曲形变，与下部的支撑梁弹性基板自由端形成接触—分离过程。
优选的，所述压电组件为压电薄片。
优选的，所述磁铁为圆柱形磁铁。本实用新型圆柱形磁铁为悬臂梁弹性基板的质量块，有效促进了悬臂梁弹性基板的运动幅度及力度，增强摩擦发电效果。
优选的，所述硅胶薄膜层由与电极材料摩擦电极序相差较大的聚合物材料制备，通过与同时作为电极层的相对摩擦层的接触-分离过程，实现摩擦发电功能。
本实用新型可以调节装置的固有频率，集成摩擦发电单元、电磁发电单元和压电发电单元为一体，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率及更好的环境适应性，可以解决工厂机床、交通运输设备等环境的振动能量采集问题；通过调节弹性基板与结构基座的固定位置，弹性基板在外界激励下产生共振现象，摩擦发电单元和电磁发电单元、压电发电单元协同工作，得到较高的能量转化效率；可以调节***固有频率的振动能量采集装置，实现能量采集装置与外部激励源的有效匹配，能够进一步提高发电装置适应环境的能力。悬臂梁-质量块结构作为一种能够有效采集振动能量的方式，在压电发电领域有广泛的研究与应用，将悬臂梁-质量块结构应用于摩擦发电与电磁发电领域，能够提高复合发电装置的能量转换效率，有广阔的应用前景。
附图说明
现在参考附图对本实用新型作进一步描述，其中：
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的俯视图；
图3为本实用新型的仰视图；
图4为弹性基板的结构图。
附图标记说明：1、支撑梁弹性基板，2、悬臂梁弹性基板，3、电磁感应线圈，4、摩擦缓冲层，5、电极层，6、硅胶薄膜层，7、磁铁，8、压电薄片，9、螺栓，10、基板垫片，11、结构基座，12、通孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
如图1至4所示，一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，包括与外部激励源固定的结构基座11，所述结构基座11顶部与支撑梁弹性基板1的一端连接，在支撑梁弹性基板1一端的顶部活动连接有悬臂梁弹性基板2的一端，所述支撑梁弹性基板1的另一端的顶部依次设有摩擦缓冲层4、电极层5，支撑梁弹性基板1的另一端的底部设有电磁感应线圈3，所述悬臂梁弹性基板2的另一端的顶部设有磁铁7，悬臂梁弹性基板2的另一端的底部依次设有摩擦缓冲层4、电极层5、硅胶薄膜层6，所述悬臂梁弹性基板2的顶部设有压电组件。本实用新型的结构基座11与外部激励源固定，支撑梁弹性基板1与悬臂梁弹性基板2的一端与结构基座11固定，在受外部激励源振动激励时，弹性强度不同的支撑梁弹性基板1和悬臂梁弹性基板2弹性形变不同，在作为悬臂梁弹性基板2质量块的圆柱形磁铁7的辅助作用下，摩擦发电单元的相对摩擦层在弹性基板另一端形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应的耦合作用在外电路产生电流；同时，在悬臂梁弹性基板2另一端的圆柱形磁铁7有较大的运动位移，使通过支撑梁弹性基板1另一端的电磁感应线圈3的磁通量发生变化，产生电磁感应电流；粘贴在悬臂梁弹性基板2表面的压电组件发生弯曲形变，产生压电输出。本实用新型使摩擦发电单元、电磁发电单元和压电发电单元协同工作，通过调节弹性基板一端在结构基座11的固定位置调节发电装置固有频率，适应外部振动环境的频率改变，更加有效转化环境中的振动能量。
进一步地，所述悬臂梁弹性基板2的一端至压电组件之间设有等距的与结构基座11固定的通孔12；所述支撑梁弹性基板1的一端至另一端之间设有等距的与悬臂梁弹性基板2上的通孔12相对应且与结构基座固定的通孔12。本实用新型在支撑梁弹性基板1、悬臂梁弹性基板2对应位置各留等距的多个通孔12，根据外部激励源频率选择合适通孔12与结构基座11固定，保持***振动的稳定性，其通孔12位置可调，以适应外界振动激励源变化。
进一步地，所述支撑梁弹性基板1与悬臂梁弹性基板2的固定处之间设有基板垫片10，并通过螺栓9与结构基座11固定。
优选的，所述支撑梁弹性基板1的弹性模量大于与悬臂梁弹性基板2的弹性模量。支撑梁弹性基板1、悬臂梁弹性基板2为不同弹性模量材质，支撑梁弹性基板1具有较大的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较小，悬臂梁弹性基板2具有较小的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较大。所述支撑梁弹性基板1不能被磁化，不会被磁铁吸引，悬臂梁弹性基板2能够被磁化，会被磁铁7吸引，从而与圆柱形磁铁形成更牢固的连接。在外部激励源作用下，上部的悬臂梁弹性基板2的自由端产生较大弯曲形变，与下部的支撑梁弹性基板1自由端形成接触—分离过程。
优选的，所述压电组件为压电薄片8。
优选的，所述磁铁7为圆柱形磁铁7。本实用新型圆柱形磁铁7为悬臂梁弹性基板2的质量块，有效促进了悬臂梁弹性基板2的运动幅度及力度，增强摩擦发电效果。
优选的，所述硅胶薄膜层6由与电极材料摩擦电极序相差较大的聚合物材料制备，通过与同时作为电极层的相对摩擦层的接触-分离过程，实现摩擦发电功能。
以上列举的仅是本实用新型的具体实施例子，对本实用新型的保护范围不构成任何限制，器件结构不受弹性基板尺寸、材料、形状，缓冲层材料种类、厚度，摩擦发电单元材料种类，压电发电单元材料种类，线圈匝数、尺寸、个数，磁铁大小、形状等限制，当然本领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和变形，需要注意的是：倘若这些修改和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，包括与外部激励源固定的结构基座，所述结构基座顶部与支撑梁弹性基板的一端连接，在支撑梁弹性基板的一端的顶部活动连接有悬臂梁弹性基板的一端，所述支撑梁弹性基板的另一端的顶部依次设有摩擦缓冲层、电极层，支撑梁弹性基板的另一端的底部设有电磁感应线圈，所述悬臂梁弹性基板的另一端的顶部设有磁铁，悬臂梁弹性基板的另一端的底部依次设有摩擦缓冲层、电极层、硅胶薄膜层，所述悬臂梁弹性基板的顶部设有压电组件。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，所述悬臂梁弹性基板的一端至压电组件之间设有等距的与结构基座固定的通孔；所述支撑梁弹性基板的一端至另一端之间设有等距的与悬臂梁弹性基板上的通孔相对应且与结构基座固定的通孔。
3.根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，所述支撑梁弹性基板与悬臂梁弹性基板的固定处之间设有基板垫片，并通过通孔，利用螺栓与结构基座固定。
4.根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，所述支撑梁弹性基板的弹性模量大于与悬臂梁弹性基板的弹性模量。
5.根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，所述压电组件为压电薄片。
6.根据权利要求1所述的悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器，其特征在于，所述磁铁为圆柱形磁铁。
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