一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種振動(dòng)能量收集器，尤其是設(shè)及一種壓電效應(yīng)與電磁效應(yīng)復(fù)合的寬 頻帶振動(dòng)能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)能量收集器能夠?qū)h(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，具有體積小、能量密度高、免 維護(hù)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不受傳統(tǒng)化學(xué)電池容量等問題的限制，可實(shí)現(xiàn)無人值守的長期供 電，在環(huán)境監(jiān)測、建筑安全監(jiān)測等相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。
[0003] 按照能量轉(zhuǎn)換方式，振動(dòng)能量收集器可W分為壓電式、電磁式和靜電式=種類型。 壓電式振動(dòng)能量收集器將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓電材料的應(yīng)變能，再由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，具 有結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。電磁式振動(dòng)能量收集器通過振動(dòng)實(shí)現(xiàn)線圈與 磁鐵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，具有成本低、輸出電 流大和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。靜電式振動(dòng)能量收集器需要外部電源或者電荷源，通過振動(dòng)改 變電容大小實(shí)現(xiàn)電能的輸出，功率密度相對(duì)較低。由于壓電式和電磁式振動(dòng)能量收集器具 有顯著的優(yōu)點(diǎn)，已成為振動(dòng)能量收集器的主要研究方向。
[0004] 為了提高振動(dòng)能量的收集與轉(zhuǎn)化效率，目前的研究工作主要集中在振動(dòng)能量收集 器的結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化、高性能材料應(yīng)用等方面，但該些方法都是受到理論極限的限制。比 如，對(duì)于壓電式振動(dòng)能量收集器，壓電梁的應(yīng)力的大小必須限制在材料機(jī)械強(qiáng)度允許的范 圍內(nèi)，否則壓電梁會(huì)損壞。近年來提出一種新的方法：復(fù)合式振動(dòng)能量收集器，將多種能量 轉(zhuǎn)化方式在一個(gè)拾振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，突破單一方式的能量收集與轉(zhuǎn)化效率的理論限制，提高振 動(dòng)能量的收集與轉(zhuǎn)化效率。廈口大學(xué)傘海生等人提出一種基于MEMS技術(shù)的壓電-靜電復(fù)合 式振動(dòng)能量收集器（申請(qǐng)?zhí)枺?01210016196.4)，但加工過程比較復(fù)雜。美國的V.R.化alia 等人在壓電懸臂梁的末端安裝了磁鐵，線圈作為定子，設(shè)計(jì)了壓電-電磁復(fù)合的振動(dòng)能量 收集器（SmartMaterialsandStruc1:ures，2009,18(9) ;095029)。但由于磁鐵安裝在懸 臂梁上，易與器件外部鐵磁材料發(fā)生相互作用，導(dǎo)致壓電懸臂梁發(fā)生損壞，在MEMS器件中 尤為嚴(yán)重。
[0005] 振動(dòng)能量收集器可視為一個(gè)二階振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)振動(dòng)頻率接近共振頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共 振，此時(shí)振動(dòng)能量收集器輸出性能最高，但頻帶寬度通常很窄，通常只有幾化。為了擴(kuò)展 振動(dòng)能量收集器的頻帶寬度，廈口大學(xué)的秦利鋒將不同共振頻率的懸臂梁組成陣列（申請(qǐng) 號(hào)；201310686868.7)，擴(kuò)展了頻帶寬度，但只有一個(gè)懸臂梁單元工作，器件整體的功率密度 低?；羟身f爾國際公司的C.張采用雙穩(wěn)態(tài)技術(shù)的非線性方法，設(shè)計(jì)了非線性振蕩器（申請(qǐng) 號(hào)；201080048402. 9)，擴(kuò)展頻帶寬度，但只有在振動(dòng)加速度較大時(shí)才會(huì)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn) 換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是；提供一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，提高了 振動(dòng)能量的收集與轉(zhuǎn)化效率w及可靠性，同時(shí)擴(kuò)展了工作頻帶寬度。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案：
[000引一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，包括外殼W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；所述壓電梁的一端水平固定在所述外殼的內(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，且線圈的軸線與壓電梁的上下表面垂直，隨壓電梁、質(zhì)量塊一起上下運(yùn)動(dòng)形成動(dòng) 子；兩個(gè)磁鐵同性磁極相對(duì)，分別固定在外殼內(nèi)壁的頂部和底部形成定子，同時(shí)磁鐵與線圈 同軸分布，且各磁鐵與其相鄰線圈之間存在間隙；所述外殼上設(shè)有六個(gè)輸出端口，壓電梁的 上下表面設(shè)有電極，電極通過金屬導(dǎo)線分別與其中兩個(gè)輸出端口連接，輸出電能；兩個(gè)線圈 的繞線兩端也通過金屬導(dǎo)線分別與其他四個(gè)輸出端口連接，輸出電能。
[0009] 優(yōu)選的，所述間隙h由如下公式計(jì)算得到
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：包括外殼以及設(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；所述壓電梁的一端水平固定在所述外殼的內(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，且線圈的軸線與壓電梁的上下表面垂直，隨壓電梁、質(zhì)量塊一起上下運(yùn) 動(dòng)形成動(dòng)子；兩個(gè)磁鐵同性磁極相對(duì)，分別固定在外殼內(nèi)壁的頂部和底部形成定子，同時(shí)磁 鐵與線圈同軸分布，且各磁鐵與其相鄰線圈之間存在間隙；所述外殼上設(shè)有六個(gè)輸出端口， 壓電梁的上下表面設(shè)有電極，電極通過金屬導(dǎo)線分別與其中兩個(gè)輸出端口連接，輸出電能； 兩個(gè)線圈的繞線兩端也通過金屬導(dǎo)線分別與其他四個(gè)輸出端口連接，輸出電能。
2. 如權(quán)利要求1所述復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：所述間隙h由如下 公式計(jì)算得到：
其中，sn表示壓電材料的柔順常數(shù)，hp為壓電層與中性面的距離，L和Lm分別為壓電梁 和質(zhì)量塊的長度，免(^):為壓電梁振型，<(.、:)為P(.r)的一階導(dǎo)數(shù)，的二階導(dǎo)數(shù)， P^為壓電材料強(qiáng)度極限，n為安全系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：所述質(zhì)量塊的尺寸 大小相同。
4.如權(quán)利要求1所述復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：所述質(zhì)量塊的材料 均為銅。
5.如權(quán)利要求1所述復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：所述磁鐵的尺寸大 小相同。
6. 如權(quán)利要求1所述復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，其特征在于：所述磁鐵的形狀均 為圓柱體。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，包括外殼以及設(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；所述壓電梁的一端水平固定在所述外殼的內(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，且線圈的軸線與壓電梁的上下表面垂直；兩個(gè)磁鐵分別固定在外殼的內(nèi)壁上，同性磁極相對(duì)，且磁鐵與線圈同軸，磁鐵與線圈之間存在間隙。本發(fā)明復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器，將壓電式和電磁式振動(dòng)能量收集器結(jié)合在一起，提高了能量收集效率，將磁鐵作為定子安裝在外殼上，提高了器件的可靠性，同時(shí)用磁鐵限制線圈的振幅，擴(kuò)展了頻帶寬帶。
【IPC分類】H02N2-18, H02K35-04
【公開號(hào)】CN104702147
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510158555
【發(fā)明人】趙興強(qiáng), 嚴(yán)飛, 宋公飛
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日