本發(fā)明屬于能量回收領(lǐng)域，主要涉及一種彈簧片式雙穩(wěn)態(tài)電磁壓電復(fù)合能量收集裝置。

背景技術(shù)：

近年來,隨著智慧城市的建設(shè)、環(huán)境問題的監(jiān)測(cè)以及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建,基于MEMS傳感器、無線通訊和嵌入式控制系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以迅猛發(fā)展。然而,讓無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠長期處于免維護(hù)運(yùn)行狀態(tài)成為進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用的瓶頸。振動(dòng)作為自然界常見的現(xiàn)象，它幾乎無處不在并且具有較高的能量密度。振動(dòng)能量收集技術(shù)可將周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為可利用的電能,能有效地實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自我供電,具有重大的研究?jī)r(jià)值和良好的發(fā)展前景。

收集振動(dòng)能量的主要方法是利用靜電、電磁、壓電等效應(yīng)，通過能量收集裝置將外部的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。如一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，該裝置由外殼以及設(shè)置在外殼內(nèi)部的壓電梁、兩個(gè)質(zhì)量塊、兩個(gè)線圈、兩個(gè)磁鐵組成。壓電梁的一端水平固定在外殼的內(nèi)壁上，另一端為自由端。兩個(gè)質(zhì)量塊分別固定在壓電梁自由端的上下表面；兩個(gè)線圈分別固定在兩個(gè)質(zhì)量塊上,兩個(gè)磁鐵分別固定在外殼的內(nèi)壁上。在壓電梁振動(dòng)過程中，壓電梁上下表面的壓電元件受到應(yīng)力和應(yīng)變的作用會(huì)產(chǎn)生電荷輸出。同時(shí)，壓電梁振動(dòng)使得其自由端的線圈與上下兩磁鐵塊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該結(jié)構(gòu)雖然同時(shí)采用了電磁、壓電雙重效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，但只有當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)激勵(lì)頻率接近壓電梁的固有頻率時(shí)，壓電梁才能產(chǎn)生大幅振動(dòng)，才能產(chǎn)生明顯的壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)現(xiàn)象。然而自然環(huán)境中的振動(dòng)往往是寬頻帶的隨機(jī)振動(dòng)，該能量收集器的工作頻帶較窄，發(fā)電效率十分有限。因此設(shè)計(jì)一種工作頻帶寬、振子振動(dòng)幅度大的電磁壓電復(fù)合能量收集裝置具有較大的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了彌補(bǔ)普通的電磁壓電復(fù)合能量收集裝置工作頻帶窄、振子振動(dòng)幅度小、發(fā)電效率低等缺陷，本發(fā)明提供一種彈簧片式雙穩(wěn)態(tài)電磁壓電復(fù)合能量收集裝置。

一種彈簧片式雙穩(wěn)態(tài)電磁壓電復(fù)合能量收集裝置包括靜態(tài)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)；

所述靜態(tài)機(jī)構(gòu)包括箱式的機(jī)殼1，機(jī)殼1內(nèi)一側(cè)中部設(shè)有軸承支座4，相對(duì)的另一側(cè)中部設(shè)有一塊柱狀的定磁鐵7；與定磁鐵7相鄰的機(jī)殼1內(nèi)側(cè)頂部設(shè)有至少一個(gè)的上部線圈8，內(nèi)側(cè)底部設(shè)有至少一個(gè)的下部線圈10，且至少一個(gè)的上部線圈8和至少一個(gè)的下部線圈10上下對(duì)應(yīng)；

所述動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)包括矩形框架式的擺框2，擺框2通過轉(zhuǎn)軸3和軸承支座4的配合設(shè)于機(jī)殼1內(nèi)；所述轉(zhuǎn)軸3中部連接著V形或U形的彈簧片5的中部，彈簧片5表面設(shè)有壓電元件9；在自然狀態(tài)下，彈簧片5的一端恰好與機(jī)殼1的內(nèi)側(cè)頂壁相接觸，另一端恰好與機(jī)殼1的內(nèi)側(cè)底壁相接觸；擺框2的另一端設(shè)有至少一個(gè)的柱狀的振子磁鐵6，所述振子磁鐵6垂直于擺框2，至少一個(gè)的振子磁鐵6的兩端分別對(duì)應(yīng)著至少一個(gè)的上部線圈8和至少一個(gè)的下部線圈10；

所述至少一個(gè)的振子磁鐵6和定磁鐵7均沿軸向磁化，且相互排斥；

工作時(shí)，將機(jī)殼1固定在機(jī)械結(jié)構(gòu)或建筑結(jié)構(gòu)等能產(chǎn)生振動(dòng)的結(jié)構(gòu)上；

在外界振動(dòng)激勵(lì)的作用下，擺框2的擺動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)彈簧片5及壓電元件9變形并產(chǎn)生電荷，電能通過壓電元件9的電極端引線輸出；另一方面，擺框2上的振子磁鐵6在上下擺動(dòng)的同時(shí)，磁鐵周圍的磁場(chǎng)也隨之運(yùn)動(dòng)，至少一個(gè)的上部線圈8和至少一個(gè)的下部線圈10在磁場(chǎng)中切割磁感線并產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流通過導(dǎo)線輸出。

進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

所述機(jī)殼1的材料為銅或鋁；機(jī)殼1的內(nèi)側(cè)頂壁和內(nèi)側(cè)底壁上分別設(shè)有絕緣層，從而避免與所述至少一個(gè)的上部線圈8和至少一個(gè)的下部線圈10導(dǎo)通。

所述擺框2的另一端設(shè)有三個(gè)振子磁鐵6。

所述擺框2的材料為銅。

所述彈簧片5的材料為彈簧鋼或彈性金屬。

所述定磁鐵7的材料和振子磁鐵6的材料均為釹鐵硼永磁鐵。

所述壓電元件9的材料為聚偏氟乙烯。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1.本發(fā)明是一種電磁壓電復(fù)合能量收集裝置，同時(shí)運(yùn)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象和壓電效應(yīng)兩種發(fā)電原理進(jìn)行工作，空間結(jié)構(gòu)利用率更高，能量采集效率也可得到有效提高?？刹幌娜魏位茉礊榈凸牡奈⑿蛡鞲衅鞯任㈦娮釉骷赡芎凸╇姡且环N環(huán)境友好型能量收集裝置。

2.本發(fā)明使用了擺框和振子磁鐵代替了傳統(tǒng)的彈性懸臂梁和振子質(zhì)量塊。傳統(tǒng)的彈性懸臂梁一端往往采用固定連接的連接方式，而本發(fā)明裝置中的擺框一端通過轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，這使得擺框另一端的振子磁鐵能夠獲得更大的振動(dòng)位移，可增大電磁感應(yīng)效應(yīng)，使線圈中產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流。

3.本發(fā)明是一種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)于裝置中的擺框而言，存在上下兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置，使得彈簧片為擺框提供的彈性回復(fù)力和磁鐵的斥力在轉(zhuǎn)軸處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相互平衡，從而使擺框和振子磁鐵產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的振動(dòng)形式，可進(jìn)一步加大擺框的擺動(dòng)幅度，顯著增大系統(tǒng)帶寬，增大彈簧片以及壓電元件的變形量，增強(qiáng)壓電效應(yīng)。與單穩(wěn)態(tài)的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，在相同的外部振動(dòng)激勵(lì)作用下，本發(fā)明的擺框振動(dòng)幅值可達(dá)到懸臂梁振動(dòng)幅值的1.6倍以上，壓電元件的開路輸出電壓至少是懸臂梁結(jié)構(gòu)的2倍。同時(shí)，振幅的增大又會(huì)進(jìn)一步提高線圈的磁通量變化率，從而顯著提高發(fā)電效率。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明裝置的整體空間結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明裝置的靜態(tài)機(jī)構(gòu)。

圖3為本發(fā)明裝置的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)。

圖4為本發(fā)明裝置中擺框擺動(dòng)到上方穩(wěn)態(tài)位置時(shí)的受力圖。

圖5為包含三塊振子磁鐵以及三對(duì)線圈的裝置整體空間結(jié)構(gòu)圖。

圖6為裝置機(jī)殼、軸承支座、三對(duì)線圈以及定磁鐵組成的靜態(tài)機(jī)構(gòu)。

圖7為裝置的擺框、轉(zhuǎn)軸、彈簧片、壓電元件以及三對(duì)振子磁鐵組成的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

上圖中序號(hào)：機(jī)殼1、擺框2、轉(zhuǎn)軸3、軸承支座4、彈簧片5、振子磁鐵6、定磁鐵7、上部線圈8、壓電元件9、下部線圈10。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

實(shí)施例1

參見圖1，一種彈簧片式雙穩(wěn)態(tài)電磁壓電復(fù)合能量收集裝置包括靜態(tài)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)。

參見圖2，靜態(tài)機(jī)構(gòu)包括箱式的機(jī)殼1，機(jī)殼1內(nèi)一側(cè)中部安裝有軸承支座4，相對(duì)的另一側(cè)中部安裝有一塊柱狀的定磁鐵7；與定磁鐵7相鄰的機(jī)殼1內(nèi)側(cè)頂部安裝有一個(gè)上部線圈8，內(nèi)側(cè)底部安裝有一個(gè)下部線圈10，且上部線圈8和下部線圈10上下對(duì)應(yīng)。機(jī)殼1的材料為鋁，機(jī)殼1的內(nèi)側(cè)頂壁和內(nèi)側(cè)底壁上分別設(shè)有絕緣層，從而避免與上部線圈8和下部線圈10導(dǎo)通。

參見圖3，動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)包括矩形框架式的擺框2，擺框2的材料為銅。擺框2的一端通過轉(zhuǎn)軸3和軸承支座4的配合安裝于機(jī)殼1內(nèi)。轉(zhuǎn)軸3中部連接著彈簧片5的中部，彈簧片5為V形薄片，材料為彈簧鋼。在自然狀態(tài)下，彈簧片5的兩端恰好分別與機(jī)殼1的內(nèi)側(cè)頂壁和內(nèi)側(cè)底壁相接觸，彈簧片5表面設(shè)有壓電元件9；壓電元件9的材料為聚偏氟乙烯(PVDF)。擺框2的另一端安裝有一個(gè)柱狀的振子磁鐵6，振子磁鐵6垂直于擺框2，振子磁鐵6的兩端分別對(duì)應(yīng)著上部線圈8和下部線圈10。振子磁鐵6的直徑為30mm，是上部線圈8直徑的一半，振子磁鐵6到轉(zhuǎn)軸3的距離與振子磁鐵6到定磁鐵7的距離之比為4：1。定磁鐵7的材料和振子磁鐵6的材料均為釹鐵硼永磁鐵,性能牌號(hào)均為N35，均沿軸向磁化，且相互排斥。

工作時(shí)，通過機(jī)殼1將裝置固定在機(jī)械結(jié)構(gòu)或建筑結(jié)構(gòu)等能產(chǎn)生振動(dòng)的結(jié)構(gòu)上。在外界振動(dòng)激勵(lì)的作用下，擺框2擺動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)彈簧片5及壓電元件9變形并產(chǎn)生電荷，電能通過電極端引線輸出；另一方面，擺框2上的振子磁鐵6在上下擺動(dòng)的同時(shí)，磁鐵周圍的磁場(chǎng)也隨之運(yùn)動(dòng)，上部線圈8和下部線圈10在磁場(chǎng)中切割磁感線并產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流通過導(dǎo)線引出。

參見圖4，忽略線圈中感生電流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)擺框2末端振子磁鐵6的微小作用力以及重力影響，當(dāng)擺框2擺動(dòng)到上方某一特定位置時(shí)，彈簧片5為擺框2提供的彈性回復(fù)力在轉(zhuǎn)軸3處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大小為M，機(jī)殼1右側(cè)內(nèi)壁上的定磁鐵7對(duì)擺框2末端振子磁鐵6的磁斥力大小為F,轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)到磁斥力F作用線的距離為d，此時(shí)恰好滿足M＝F·d，即彈簧片5為擺框2提供的彈性回復(fù)力和磁鐵的斥力在轉(zhuǎn)軸3處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相互平衡，因此這一位置是擺框2的一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置。同理，在下方相應(yīng)位置處，存在另一穩(wěn)態(tài)位置，使得擺框2受力平衡。在外界振動(dòng)激勵(lì)的作用下，擺框2產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的振動(dòng)，顯著增大了擺框2的擺動(dòng)幅度，增大了系統(tǒng)帶寬，增加了彈簧片5以及壓電元件9的變形量。與單穩(wěn)態(tài)的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，在相同的外部振動(dòng)激勵(lì)作用下，本發(fā)明的擺框2振動(dòng)幅值可達(dá)到懸臂梁振動(dòng)幅值的1.6倍以上，壓電元件的開路輸出電壓至少是懸臂梁結(jié)構(gòu)的2倍。與此同時(shí)，擺框2和振子磁鐵6振幅的增大也提高了上部線圈8和下部線圈10的磁通量變化率，從而大幅提高能量收集效率。

實(shí)施例2

參見圖5、圖6和圖7，本實(shí)施例中，與定磁鐵7相鄰的機(jī)殼1內(nèi)側(cè)頂部安裝有三個(gè)上部線圈8，內(nèi)側(cè)底部安裝有三個(gè)下部線圈10；擺框2的另一端安裝有三個(gè)柱狀的振子磁鐵6；三個(gè)振子磁鐵6的兩端分別對(duì)應(yīng)著三個(gè)上部線圈8和三個(gè)下部線圈10。其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，工作原理同實(shí)施例1。

本實(shí)施例使用了三個(gè)振子磁鐵6、三個(gè)上部線圈8和三個(gè)下部線圈10，可大幅提高線圈的電磁發(fā)電量；另一方面，由于振子磁鐵6的數(shù)量增加到了三個(gè)，因此擺框2末端受到的磁鐵斥力之和也會(huì)加倍。與實(shí)施例1相比，擺框2振動(dòng)過程中的上部穩(wěn)態(tài)位置會(huì)上移，下部穩(wěn)態(tài)位置會(huì)下移，上下兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置的距離變大，因而擺框2會(huì)產(chǎn)生更大的幅度的雙穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，彈簧片5和壓電元件9也能產(chǎn)生更大的變形量，同時(shí)又提高了上部線圈8和下部線圈10的磁通量變化率，能量收集效率得到了進(jìn)一步提高。

本發(fā)明裝置可用于機(jī)械結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)等的振動(dòng)能量收集。作為一種電磁壓電復(fù)合能量收集裝置，本發(fā)明同時(shí)運(yùn)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象和壓電效應(yīng)兩種發(fā)電原理進(jìn)行工作，空間結(jié)構(gòu)利用率更高，能夠有效地收集環(huán)境中的振動(dòng)能，可不消耗任何化石能源為低功耗的微型傳感器等微電子元器件采能和供電，是一種環(huán)境友好型能量收集裝置。