CN220440576U - 一种压电-电磁复合式能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及能量采集技术领域，具体而言，涉及一种压电‑电磁复合式能量采集装置，装置包括多面体基座和能量采集结构；多面体基座的其中一面与外部能够产生振动的结构连接，带动设置在多面体基座上的能量采集结构振动，以使本申请的结构可以采集环境中任意方向的振动能量；多面体基座的振动会带动两个第一悬臂梁振动，以使设置在其上的压电片发生形变，连接板将第一悬臂梁的振动传递到第二悬臂梁上，带动第二悬臂梁振动，以使第二悬臂梁上的压电片发生形变，从而将压电片的机械能转换成电能；此外，第一磁铁随着第二悬臂梁的振动而上下移动，磁通量发生变化，在线圈中产生感应电动势，提高了发电功率。

Description

一种压电-电磁复合式能量采集装置

技术领域

本实用新型涉及能量采集技术领域，具体而言，涉及一种压电-电磁复合式能量采集装置。

背景技术

随着电子技术的发展，无线传感器、微机电***等低功耗设备在航空航天、军事、生物医学、环境监测等诸多领域得到广泛的应用。目前，无线传感器等低功耗电子器件大多采用电池供电。但是电池寿命有限、定期更换和污染环境等缺点，制约着其发展和应用。

针对上述问题，研究人员提出了环境能量采集技术，这是一种可以从从环境中获取能量并将其转换为电能的技术，通过这种能量采集装置转换的电能可以供低功耗电子器件使用，从而弥补传统电池供电的缺陷。环境能量采集技术主要分为太阳能采集、风能采集、热能采集、海洋能采集及振动能采集五大类。与其他几种能量采集技术相比，振动能量采集技术更能满足体积小、适用范围广及持续供电等要求，因此受到研究者的关注。

环境中的振动信号大多为低频随机振动信号，将这些信号有效收集并转化为电能可以解决低功耗电子器件不能长期稳定供电的问题。压电陶瓷的振动能量采集器由于结构简单，能量采集效率高，绿色环保等特点，成为一种具有发展前景的能量收集方式。传统的单自由度压电能量采集器固有频率高、频率带宽窄，在实际应用时，通常面临采集效率低甚至无法可靠工作等问题。相比之下，多自由度压电能量采集器有更宽的工作带宽，并且在低频区域存在多个峰值，从而显著提高了压电能量采集器的能量收集效率。

中国专利CN111404419A公开了一种双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，基座的形状为凹形，左、右两个立柱与基座的底面垂直，左侧立柱内侧固定有悬臂梁，右侧立柱内侧固定有环形磁铁，悬臂梁的另一端固定有矩形磁铁，靠近悬臂梁根部设有上下两层PZT压电陶瓷，用于将机械能转换成电能。装置通过调节两磁铁的距离可使悬臂梁处于“多稳状态”，悬臂梁会在多个稳态势阱中来回振荡。其缺陷在于，该能量采集器为单一的能量采集机制，即通过压电陶瓷进行能量的收集，而单一的能量采集机制对环境振动能量的采集效果有限，其能量采集时仅以单个悬臂梁为基础，并且只能采集空间中一个方向的振动能量，因此能量采集效率不高。

实用新型内容

本实用新型提供一种压电-电磁复合式能量采集装置，以解决现有技术由于单一的能量采集机制对环境能量的采集效果有限，其能量采集时仅以单个悬臂梁为基础，并且只能采集空间中一个方向的振动能量而导致的能量采集效率不高的问题。

一种三稳态式压电-电磁能量采集装置，包括多面体基座和能量采集结构；

所述多面体基座的其中一面通过可拆卸紧固件安装在能够产生振动的结构上，所述多面体基座的另外几个面上均设有至少一个所述能量采集结构；

所述能量采集结构包括两个相互平行的第一悬臂梁、一个连接板、一个第二悬臂梁、一个第一质量块、一个第二质量块以及若干片压电片；两个所述第一悬臂梁的一端连接在所述多面体基座的其中一个面上，两个所述第一悬臂梁的另一端分别与所述连接板的两端连接，所述连接板上连接有所述第一质量块，所述第二悬臂梁的一端与所述连接板连接，所述第二悬臂梁的另一端连接有所述第二质量块，两个所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁上分别粘贴有一片所述压电片，用于将机械能转换成电能。

采用上述结构后，本实用新型一种压电-电磁复合式能量采集装置具有以下优点：多面体基座的其中一面与外部能够产生振动的结构连接，使得多面体基座产生振动，带动设置在多面体基座各个面上的能量采集结构振动，最终将压电材料的机械能转换成电能。相对比现有技术只能采集空间中一个方向的振动能量，本申请的能量采集结构可以采集环境中任意方向的振动能量。多面体基座的振动会带动两个第一悬臂梁振动，以使设置在其上的压电片发生形变，从而将机械能转换成电能。同时两个第二悬臂梁的另一端分别与连接板的两端连接，且连接板上设有一个第二悬臂梁，因此连接板将第一悬臂梁的振动传递到第二悬臂梁上，带动第二悬臂梁振动，以使第二悬臂梁上的压电片发生形变，从而将机械能转换成电能；同时第二悬臂梁的振动会增大第一悬臂梁的振动幅度，因此进一步的提高了第一悬臂梁上压电片的发电功率，相对比现有技术单个悬臂梁的电能采集，本申请的结构其发电效果更好。

作为改进，所述能量采集结构还包括圆柱筒、线圈以及第一磁铁；所述圆柱筒设置在所述多面体基座上，第二悬臂梁静止状态下，所述圆柱筒的轴线与所述第二悬臂梁的中心线相垂直，所述线圈缠绕连接在所述圆柱筒的外周壁上，所述第一磁铁与所述第二质量块连接，所述第一磁铁位于所述线圈的上方，用于将磁铁的动能转换成电能。采用此种结构，由于第一磁铁随着第二悬臂梁的振动不断的上下移动，此时磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势；该装置除了将压电材料的机械能转换成电能，还能将磁铁的动能转换成电能。与单一的能量采集装置相比，该装置的发电功率得到提高。

作为改进，所述能量采集结构还包括第二磁铁、第三磁铁以及第四磁铁，所述第二磁铁和所述第三磁铁分别设置在所述圆柱筒的两端，且所述第二磁铁和所述第三磁铁均位于所述圆柱筒的内部，所述第四磁铁活动连接在所述圆柱筒内，所述第四磁铁位于所述圆柱筒的中部，且所述第四磁铁的两面分别与所述第二磁铁和所述第三磁铁的磁极相反，所述线圈缠绕连接在所述圆柱筒外表面的中部。采用此种结构，由于第一磁铁的上下振动和圆柱筒中两端固定的第二磁铁和第三磁铁分别与中间的第四磁铁间的排斥力，使第四磁铁沿着圆柱筒的内壁移动，此时磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。由于第二磁铁和第三磁铁分别与中间的第四磁铁互为排斥力，增大了第二悬臂梁的振动幅度，提高了压电片的发电功率。

作为改进，所述能量采集结构还包括两个第三质量块，两个所述第三质量块分别连接在所述第二悬臂梁的自由端上，且分别位于所述第二质量块的两侧，且分别位于第二质量块与其中一个所述第一悬臂梁之间。采用此种结构，在第二悬臂梁的另一端新增两个第三质量块增大了第二悬臂梁的振动幅度，提高了压电片的发电功率。

作为改进，所述第一质量块和所述第二悬臂梁位于所述连接板的中部。采用此种结构，将第一质量块设置在连接板的中部，可以提高连接板的重量，增大第一悬臂梁的振动幅度，提高压电片的发电功率。

作为改进，两个所述第一悬臂梁均与所述多面体基座上对应的面相垂直。采用此种结构，垂直设置的第一悬臂梁，可以更好的将振动传动最大化，增大了第一悬臂梁和第二悬臂梁的振动幅度，提高了压电片的发电功率。

作为改进，所述多面体基座的其中一个面上安装在能够产生振动的结构上，其他几个面上均设有三个所述能量采集结构，且三个所述能量采集结构平行等距间隔分布。采用此种结构，提高了压电-电磁复合式能量采集装置的功率，同时提高了空间利用率。

作为改进，所述压电片的材质为PZT-5A。采用此种结构，PZT-5A具有更优良的压电和介电性能，同时具有更高的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型压电-电磁复合式能量采集装置的主视图；

图2为本实用新型能量采集结构的轴测示意图；

图3为本实用新型圆柱筒的剖面示意图；

图4为本实用新型压电-电磁复合式能量采集装置的一种实施例。

其中，

1、多面体基座；2、能量采集结构；2.1、第一悬臂梁；2.2、连接板；2.3、第二悬臂梁；2.4、第一质量块；2.5、第二质量块；2.6、压电片；2.7、圆柱筒；2.8、线圈；2.9、第一磁铁；2.10、第二磁铁；2.11、第三磁铁；2.12、第四磁铁；2.13、第三质量块。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种压电-电磁复合式能量采集装置，以解决现有技术由于单一的能量采集机制对环境能量的采集效果有限，其能量采集时仅以单个悬臂梁为基础，并且只能采集空间中一个方向的振动能量，而导致的能量采集效率不高的问题。

结合图1所示，因此本申请提出了一种三稳态式压电-电磁能量采集装置，包括多面体基座1和能量采集结构2；

多面体基座1的其中一个面与能够产生振动的结构连接，多面体基座1的另外几个面上均设有至少一个能量采集结构2；

能量采集结构2包括两个相互平行的第一悬臂梁2.1、一个连接板2.2、一个第二悬臂梁2.3、一个第一质量块2.4、一个第二质量块2.5以及若干片压电片2.6；两个第一悬臂梁2.1的一端连接在多面体基座1的其中一个面上，两个第一悬臂梁2.1的另一端分别与连接板2.2的两端连接，连接板2.2上连接有第一质量块2.4，第二悬臂梁2.3的一端与连接板2.2连接，第二悬臂梁2.3的另一端连接有第二质量块2.5，两个第一悬臂梁2.1和第二悬臂梁2.3上分别设有一片压电片2.6，用于将机械能转换成电能。

具体的，多面体基座1的其中一面与能够产生振动的结构连接，使得多面体基座1产生振动，带动设置在多面体基座1各个面上的能量采集结构2采集电能，相对比现有技术只能采集空间中一个方向的振动能量，本申请的能量采集结构2可以采集环境中任意方向的振动能量，以更好地适应环境的变化；多面体基座1的振动会带动两个第二悬臂梁2.3振动，以使粘贴在其上的压电片2.6发生形变，以使机械能转换成电能。同时两个第二悬臂梁2.3的另一端分别与连接板2.2的两端连接，且连接板2.2上设有一个第二悬臂梁2.3，因此连接板2.2将第一悬臂梁2.1的振动传递到第二悬臂梁2.3上，带动第二悬臂梁2.3振动，以使第二悬臂梁2.3上的压电片2.6发生形变，使机械能转换成电能，同时第二悬臂梁2.3的振动会增大第一悬臂梁2.1的振动幅度，因此进一步的提高了第一悬臂梁2.1上压电片2.6的发电功率，相对比现有技术单个悬臂梁的电能采集，本申请的结构其发电效果更好。

其中，两个第一悬臂梁2.1分别插接在多面体基座1的另外几个面的其中一个面上，该插接方式为焊接、铆接或紧固件连接，本申请优选的固定方式为紧固件连接，这样可以使得第一悬臂梁2.1可拆卸的连接在多面体基座1的任意面上，方便第一悬臂梁2.1的零配件更换；同时连接板2.2通过焊接、铆接或紧固件连接在两个第一悬臂梁2.1的另一端，本申请优选的为焊接，焊接的连接更加牢固可靠；第二悬臂梁2.3通过焊接。铆接或紧固件连接的方式固定在连接板2.2上，本申请优选的连接方式为紧固件连接，使得第二悬臂梁2.3可拆卸的连接在连接板2.2上，方便了第二悬臂梁2.3的安装和结构替换。

其中，附图1中示意性的展示了多面体基座1的其中一个面用于连接激振器，激振器与附图1上的圆孔相连，以带动多面体基座1振动。

结合图2所示，本实用新型的较佳实施例中，能量采集结构2还包括圆柱筒2.7、线圈2.8以及第一磁铁2.9；圆柱筒2.7设置在多面体基座1上，第二悬臂梁静止状态下，圆柱筒2.7的轴线与第二悬臂梁2.3的中心线相垂直，线圈2.8缠绕连接在圆柱筒2.7的外周壁上，第一磁铁2.9与第二质量块2.5连接，第一磁铁2.9位于线圈2.8的上方，线圈2.8用于将磁铁的动能转换成电能。

具体的，第一磁铁2.9随着第二悬臂梁2.3的振动不断的上下移动，磁通量发生变化，从而在线圈2.8中产生感应电动势。结合压电片的机械能和磁铁的动能转换成电能，压电-电磁复合式能量采集装置的输出功率得到提高。其中，第一磁铁2.9通过焊接、胶粘或紧固件固定的方式连接在第二悬臂梁2.3的另一端，本申请优选为胶粘连接，该连接方式相对比其他连接方式更加方便，且不会破坏第一磁铁2.9和第二悬臂梁2.3。

结合图3所示，为进一步优化上述方案，能量采集结构2还包括第二磁铁2.10、第三磁铁2.11以及第四磁铁2.12，第二磁铁2.10和第三磁铁2.11分别设置在圆柱筒2.7的两端，且第二磁铁2.10和第三磁铁2.11均位于圆柱筒2.7的内部，第四磁铁2.12活动连接在圆柱筒2.7内，第四磁铁2.12位于圆柱筒2.7的中部，且第四磁铁2.12的两面分别与第二磁铁2.10和第三磁铁2.11的磁极相反，线圈2.8缠绕连接在圆柱筒2.7外表面的中部。

具体的，由于第一磁铁2.9的上下振动和圆柱筒2.7中两端固定的第二磁铁2.10和第三磁铁2.11分别与中间的第四磁铁2.12间的排斥力，使第四磁铁2.12沿着圆柱筒2.7的内壁移动，此时磁通量发生变化，从而在线圈2.8中产生感应电动势同时由于第二磁铁2.10和第三磁铁2.11分别与中间的第四磁铁2.12互为排斥力，增大了第二悬臂梁2.3的振动幅度，提高了压电片2.6的发电功率。其中，第二磁铁2.10和第三磁铁2.11通过焊接、胶粘连接或过盈配合的方式固定在圆柱筒2.7的两端，本申请优选的连接方式为粘胶连接，相对比其他连接方式，胶粘连接更加方便快捷，且不会破坏圆柱筒2.7和磁铁的结构。而第三磁铁2.11通过间隙配合的方式活动连接在圆柱筒2.7内，使其可以在圆柱筒2.7内沿圆柱筒2.7的内壁方向移动。

结合图2所示，本实用新型的较佳实施例中，能量采集结构2还包括两个第三质量块2.13，两个第三质量块2.13分别连接在第二悬臂梁2.3的另一端上，且分别位于第二质量块2.5的两侧，且分别位于第二质量块2.5与其中一个第一悬臂梁2.1之间。

具体的，在第二悬臂梁2.3的另一端新增两个第三质量块2.13，提高了第二悬臂梁2.3的振动幅度，提高了压电片2.6的发电功率。其中，第三质量块2.13的连接方式为焊接、胶粘连接、铆接或紧固件连接，本申请优选的为焊接，相对于其他的连接方式，该方式使第三质量块2.13的连接更加牢固。

结合图2所示，本实用新型的较佳实施例中，第一质量块2.4和第二悬臂梁2.3位于连接板2.2的中部。

具体的，将第一质量块2.4设置在连接板2.2的中部，可以提高连接板2.2的重量，增大第一悬臂梁2.1的振动幅度，提高压电片2.6的发电功率。

结合图1和图4所示，本实用新型的较佳实施例中，两个第一悬臂梁2.1均与多面体基座1上对应的面相垂直。

具体的，垂直设置的第一悬臂梁2.1，可以更好的将振动传动最大化，提高了第一悬臂梁2.1和第二悬臂梁2.3的振动幅度，提高了压电片2.6的发电功率。

结合图4所示，本实用新型的较佳实施例中，多面体基座1的其中一面与能够产生振动的结构连接，其他几个面上均设有三个能量采集结构2，且三个能量采集结构2平行等距间隔分布。

具体的，除了其中一面与能够产生振动的结构连接，其他几个面上都设有三个能量采集结构2，提高了压电-电磁复合式能量采集装置的功率，同时提高了空间利用率。

本实用新型的较佳实施例中，压电片2.6的材质为PZT-5A。

具体的，PZT-5A具有更优良的压电和介电性能，同时具有更高的灵敏度。

结合图4所示，本申请的最优实施例如下：

将多面体基座1(本申请优选的为正方体基座)的一面固定在能够产生振动的结构上，两个垂直正方体基座其中一面的第一悬臂梁2.1在外界激励作用下，将沿着第一悬臂梁2.1的厚度方向进行振动；同时，第二悬臂梁2.3上的第二质量块2.5将带动第二悬臂梁2.3沿着第二悬臂梁2.3的厚度方向振动，随后第一悬臂梁2.1和两个第二悬臂梁2.3上的压电片2.6发生形变，根据压电材料的正压电效应，使压电材料上下表面产生等量异种电荷，产生电荷通过两极的导线引出，产生电能，实现机械能向电能的转变。

同时，第二悬臂梁2.3的振动带动第一磁铁2.9的振动，使得第一磁铁2.9与圆柱筒2.7内第二磁铁2.10、第三磁铁2.11和第四磁铁2.12构成的磁悬浮结构构成的磁场发生变化，从而使得磁悬浮结构的第四磁铁2.12沿着圆柱筒2.7的内壁移动，和缠绕在圆柱筒2.7外壁上的线圈2.8发生相对运动，在磁场中切割磁感线，产生感应电动势，实现机械能向电能的转变。而第一磁铁2.9受到磁悬浮结构的磁场力的作用，会增大第二悬臂梁2.3的振幅，从而提高发电功率。环境中的第三质量块2.13，第三质量块2.13为翼型结构，该翼型结构通过连杆带动第一磁铁2.9上下振动，进一步增大了第二悬臂梁2.3的振幅来提高发电功率。

本申请将能量采集结构2按照合理的布置，***到正方体基座上，从而采集环境中任意方向的振动能量，提高了发电功率。解决了传统的单自由度压电能量采集器固有频率高、频率带宽窄的问题。本申请由第一悬臂梁2.1和第二悬臂梁2.3组成的二自由度相较于单自由度不仅有更宽的工作带宽，并且在低频区域一般可存在多个峰值，从而显著提高了能量收集装置的功率。

单一的能量采集机制对环境振动能量的采集效果有限，由于电磁式和压电式发电结构的机电耦合系数都较高，而且它们均不需要外接电源，于是本申请将这两种发电方式结合起来，大大提高能量收集装置的功率。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，包括多面体基座(1)和能量采集结构(2)；

所述多面体基座(1)的其中一面通过可拆卸紧固件安装在能够产生振动的结构上；所述多面体基座(1)的另外几个面上均设有至少一个所述能量采集结构(2)；

所述能量采集结构(2)包括两个相互平行的第一悬臂梁(2.1)、一个连接板(2.2)、一个第二悬臂梁(2.3)、一个第一质量块(2.4)、一个第二质量块(2.5)以及若干片压电片(2.6)；两个所述第一悬臂梁(2.1)的一端连接在所述多面体基座(1)的其中一个面上，两个所述第一悬臂梁(2.1)的另一端分别连接在所述连接板(2.2)的两端上，所述连接板(2.2)上连接有所述第一质量块(2.4)，所述第二悬臂梁(2.3)的一端与所述连接板(2.2)连接，所述第二悬臂梁(2.3)的另一端连接有所述第二质量块(2.5)，两个所述第一悬臂梁(2.1)和所述第二悬臂梁(2.3)上分别粘贴有一片所述压电片(2.6)，用于将机械能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述能量采集结构(2)还包括圆柱筒(2.7)、线圈(2.8)以及第一磁铁(2.9)；所述圆柱筒(2.7)设置在所述多面体基座(1)上，第二悬臂梁静止状态下，所述圆柱筒(2.7)的轴线与所述第二悬臂梁(2.3)的中心线相垂直，所述线圈(2.8)缠绕连接在所述圆柱筒(2.7)的外周壁上，所述第一磁铁(2.9)与所述第二质量块(2.5)连接，所述第一磁铁(2.9)位于所述线圈(2.8)的上方，所述线圈(2.8)用于将磁铁的动能转换成电能。

3.根据权利要求2所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述能量采集结构(2)还包括第二磁铁(2.10)、第三磁铁(2.11)以及第四磁铁(2.12)，所述第二磁铁(2.10)和所述第三磁铁(2.11)分别设置在所述圆柱筒(2.7)的两端，且所述第二磁铁(2.10)和所述第三磁铁(2.11)均位于所述圆柱筒(2.7)的内部，所述第四磁铁(2.12)活动连接在所述圆柱筒(2.7)内，所述第四磁铁(2.12)位于所述圆柱筒(2.7)的中部，且所述第四磁铁(2.12)的两面分别与所述第二磁铁(2.10)和所述第三磁铁(2.11)的磁极相反，所述线圈(2.8)缠绕连接在所述圆柱筒(2.7)外表面的中部。

4.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述能量采集结构(2)还包括两个第三质量块(2.13)，两个所述第三质量块(2.13)分别连接在所述第二悬臂梁(2.3)的自由端上，且分别位于所述第二质量块(2.5)的两侧。

5.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述第一质量块(2.4)和所述第二悬臂梁(2.3)位于所述连接板(2.2)的中部。

6.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，两个所述第一悬臂梁(2.1)均与所述多面体基座(1)上对应的面相垂直。

7.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述多面体基座(1)的其中一面安装在能够产生振动的结构上，其他几个面上均设有三个所述能量采集结构(2)，且三个所述能量采集结构(2)平行等距间隔分布。

8.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式能量采集装置，其特征在于，所述压电片(2.6)的材质为PZT-5A。