一種彈簧片式雙穩態電磁壓電複合能量收集裝置的製作方法
2023-09-16 21:21:15 2
本發明屬於能量回收領域，主要涉及一種彈簧片式雙穩態電磁壓電複合能量收集裝置。
背景技術：
近年來,隨著智慧城市的建設、環境問題的監測以及物聯網的構建,基於MEMS傳感器、無線通訊和嵌入式控制系統的無線傳感網絡技術得以迅猛發展。然而,讓無線傳感網絡節點能夠長期處於免維護運行狀態成為進一步推進其應用的瓶頸。振動作為自然界常見的現象，它幾乎無處不在並且具有較高的能量密度。振動能量收集技術可將周圍環境中的振動能量轉換為可利用的電能,能有效地實現無線傳感網絡節點的自我供電,具有重大的研究價值和良好的發展前景。
收集振動能量的主要方法是利用靜電、電磁、壓電等效應，通過能量收集裝置將外部的振動能轉換成電能。如一種複合式寬頻帶振動能量收集器，該裝置由外殼以及設置在外殼內部的壓電梁、兩個質量塊、兩個線圈、兩個磁鐵組成。壓電梁的一端水平固定在外殼的內壁上，另一端為自由端。兩個質量塊分別固定在壓電梁自由端的上下表面；兩個線圈分別固定在兩個質量塊上,兩個磁鐵分別固定在外殼的內壁上。在壓電梁振動過程中，壓電梁上下表面的壓電元件受到應力和應變的作用會產生電荷輸出。同時，壓電梁振動使得其自由端的線圈與上下兩磁鐵塊發生相對運動，從而使線圈中產生感應電流。該結構雖然同時採用了電磁、壓電雙重效應進行發電，但只有當外界環境的振動激勵頻率接近壓電梁的固有頻率時，壓電梁才能產生大幅振動，才能產生明顯的壓電效應和電磁感應現象。然而自然環境中的振動往往是寬頻帶的隨機振動，該能量收集器的工作頻帶較窄，發電效率十分有限。因此設計一種工作頻帶寬、振子振動幅度大的電磁壓電複合能量收集裝置具有較大的研究意義和實用價值。
技術實現要素：
為了彌補普通的電磁壓電複合能量收集裝置工作頻帶窄、振子振動幅度小、發電效率低等缺陷，本發明提供一種彈簧片式雙穩態電磁壓電複合能量收集裝置。
一種彈簧片式雙穩態電磁壓電複合能量收集裝置包括靜態機構和動態機構；
所述靜態機構包括箱式的機殼1，機殼1內一側中部設有軸承支座4，相對的另一側中部設有一塊柱狀的定磁鐵7；與定磁鐵7相鄰的機殼1內側頂部設有至少一個的上部線圈8，內側底部設有至少一個的下部線圈10，且至少一個的上部線圈8和至少一個的下部線圈10上下對應；
所述動態機構包括矩形框架式的擺框2，擺框2通過轉軸3和軸承支座4的配合設於機殼1內；所述轉軸3中部連接著V形或U形的彈簧片5的中部，彈簧片5表面設有壓電元件9；在自然狀態下，彈簧片5的一端恰好與機殼1的內側頂壁相接觸，另一端恰好與機殼1的內側底壁相接觸；擺框2的另一端設有至少一個的柱狀的振子磁鐵6，所述振子磁鐵6垂直於擺框2，至少一個的振子磁鐵6的兩端分別對應著至少一個的上部線圈8和至少一個的下部線圈10；
所述至少一個的振子磁鐵6和定磁鐵7均沿軸向磁化，且相互排斥；
工作時，將機殼1固定在機械結構或建築結構等能產生振動的結構上；
在外界振動激勵的作用下，擺框2的擺動帶動轉軸3轉動，進而帶動彈簧片5及壓電元件9變形並產生電荷，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在上下擺動的同時，磁鐵周圍的磁場也隨之運動，至少一個的上部線圈8和至少一個的下部線圈10在磁場中切割磁感線並產生感應電流，電流通過導線輸出。
進一步限定的技術方案如下：
所述機殼1的材料為銅或鋁；機殼1的內側頂壁和內側底壁上分別設有絕緣層，從而避免與所述至少一個的上部線圈8和至少一個的下部線圈10導通。
所述擺框2的另一端設有三個振子磁鐵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。
本發明的有益技術效果體現在以下方面：
1.本發明是一種電磁壓電複合能量收集裝置，同時運用了電磁感應現象和壓電效應兩種發電原理進行工作，空間結構利用率更高，能量採集效率也可得到有效提高。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採能和供電，是一種環境友好型能量收集裝置。
2.本發明使用了擺框和振子磁鐵代替了傳統的彈性懸臂梁和振子質量塊。傳統的彈性懸臂梁一端往往採用固定連接的連接方式，而本發明裝置中的擺框一端通過轉軸實現轉動連接，這使得擺框另一端的振子磁鐵能夠獲得更大的振動位移，可增大電磁感應效應，使線圈中產生更大的感應電流。
3.本發明是一種雙穩態結構，對於裝置中的擺框而言，存在上下兩個穩態位置，使得彈簧片為擺框提供的彈性回復力和磁鐵的斥力在轉軸處產生的轉動力矩相互平衡，從而使擺框和振子磁鐵產生雙穩態的振動形式，可進一步加大擺框的擺動幅度，顯著增大系統帶寬，增大彈簧片以及壓電元件的變形量，增強壓電效應。與單穩態的懸臂梁結構相比，在相同的外部振動激勵作用下，本發明的擺框振動幅值可達到懸臂梁振動幅值的1.6倍以上，壓電元件的開路輸出電壓至少是懸臂梁結構的2倍。同時，振幅的增大又會進一步提高線圈的磁通量變化率，從而顯著提高發電效率。
附圖說明：
圖1為本發明裝置的整體空間結構圖。
圖2為本發明裝置的靜態機構。
圖3為本發明裝置的動態機構。
圖4為本發明裝置中擺框擺動到上方穩態位置時的受力圖。
圖5為包含三塊振子磁鐵以及三對線圈的裝置整體空間結構圖。
圖6為裝置機殼、軸承支座、三對線圈以及定磁鐵組成的靜態機構。
圖7為裝置的擺框、轉軸、彈簧片、壓電元件以及三對振子磁鐵組成的動態機構。
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：
上圖中序號：機殼1、擺框2、轉軸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。
具體實施方式
下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地描述。
實施例1
參見圖1，一種彈簧片式雙穩態電磁壓電複合能量收集裝置包括靜態機構和動態機構。
參見圖2，靜態機構包括箱式的機殼1，機殼1內一側中部安裝有軸承支座4，相對的另一側中部安裝有一塊柱狀的定磁鐵7；與定磁鐵7相鄰的機殼1內側頂部安裝有一個上部線圈8，內側底部安裝有一個下部線圈10，且上部線圈8和下部線圈10上下對應。機殼1的材料為鋁，機殼1的內側頂壁和內側底壁上分別設有絕緣層，從而避免與上部線圈8和下部線圈10導通。
參見圖3，動態機構包括矩形框架式的擺框2，擺框2的材料為銅。擺框2的一端通過轉軸3和軸承支座4的配合安裝於機殼1內。轉軸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。在自然狀態下，彈簧片5的兩端恰好分別與機殼1的內側頂壁和內側底壁相接觸，彈簧片5表面設有壓電元件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柱狀的振子磁鐵6，振子磁鐵6垂直於擺框2，振子磁鐵6的兩端分別對應著上部線圈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,性能牌號均為N35，均沿軸向磁化，且相互排斥。
工作時，通過機殼1將裝置固定在機械結構或建築結構等能產生振動的結構上。在外界振動激勵的作用下，擺框2擺動並帶動轉軸3轉動，進而帶動彈簧片5及壓電元件9變形並產生電荷，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在上下擺動的同時，磁鐵周圍的磁場也隨之運動，上部線圈8和下部線圈10在磁場中切割磁感線並產生感應電流，電流通過導線引出。
參見圖4，忽略線圈中感生電流產生磁場對擺框2末端振子磁鐵6的微小作用力以及重力影響，當擺框2擺動到上方某一特定位置時，彈簧片5為擺框2提供的彈性回復力在轉軸3處產生的轉動力矩大小為M，機殼1右側內壁上的定磁鐵7對擺框2末端振子磁鐵6的磁斥力大小為F,轉軸中心點到磁斥力F作用線的距離為d，此時恰好滿足M＝F·d，即彈簧片5為擺框2提供的彈性回復力和磁鐵的斥力在轉軸3處產生的轉動力矩相互平衡，因此這一位置是擺框2的一個穩態位置。同理，在下方相應位置處，存在另一穩態位置，使得擺框2受力平衡。在外界振動激勵的作用下，擺框2產生雙穩態的振動，顯著增大了擺框2的擺動幅度，增大了系統帶寬，增加了彈簧片5以及壓電元件9的變形量。與單穩態的懸臂梁結構相比，在相同的外部振動激勵作用下，本發明的擺框2振動幅值可達到懸臂梁振動幅值的1.6倍以上，壓電元件的開路輸出電壓至少是懸臂梁結構的2倍。與此同時，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。
實施例2
參見圖5、圖6和圖7，本實施例中，與定磁鐵7相鄰的機殼1內側頂部安裝有三個上部線圈8，內側底部安裝有三個下部線圈10；擺框2的另一端安裝有三個柱狀的振子磁鐵6；三個振子磁鐵6的兩端分別對應著三個上部線圈8和三個下部線圈10。其他結構同實施例1，工作原理同實施例1。
本實施例使用了三個振子磁鐵6、三個上部線圈8和三個下部線圈10，可大幅提高線圈的電磁發電量；另一方面，由于振子磁鐵6的數量增加到了三個，因此擺框2末端受到的磁鐵斥力之和也會加倍。與實施例1相比，擺框2振動過程中的上部穩態位置會上移，下部穩態位置會下移，上下兩個穩態位置的距離變大，因而擺框2會產生更大的幅度的雙穩態振動，彈簧片5和壓電元件9也能產生更大的變形量，同時又提高了上部線圈8和下部線圈10的磁通量變化率，能量收集效率得到了進一步提高。
本發明裝置可用於機械結構、建築結構等的振動能量收集。作為一種電磁壓電複合能量收集裝置，本發明同時運用了電磁感應現象和壓電效應兩種發電原理進行工作，空間結構利用率更高，能夠有效地收集環境中的振動能，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採能和供電，是一種環境友好型能量收集裝置。