一种磁悬浮复合式压电能量俘获器

1.本发明涉及压电俘能技术及可再生能源领域，具体涉及一种磁悬浮复合式压电能量俘获器。


背景技术：

2.进入21世纪以来，为了解决低功耗的无线传感器网络(wsn)或移动电子设备持久可靠供电问题，能量俘获(eh)正成为学术界和工业界共同关注的一个前沿技术领域。自然环境中的振动几乎无处不在，它不像太阳能、电磁能那样受到使用时间、服役环境等因素的限制，机械振动能是环境中可被广泛利用的能源之一，因此振动能被广泛研究。其中压电式振动能量俘获因为具有较高的力-电耦合效应和能量密度、无电磁干扰以及易于微小化集成等优点，受到各界关注。
3.实际应用中，环境振动具有不稳定性，当振动源的频率和振动方向与能量收集装置不匹配的时候，能量收集装置收集到的能量会很低，致使收集效率严重不足，从而限制能量收集装置的作用。传统压电俘能装置对于振动采集频带较为固定，带宽范围较窄，并且，传统压电俘能装置对于压电材料的利用率仍有待提高。现有的振动能量采集装置大多存在这些问题，所以现在急需一种磁悬浮复合式压电能量俘获器解决上述问题。


技术实现要素：

4.针对现有问题不足，本发明目的是提供一种磁悬浮复合式压电能量俘获器以解决上述背景技术中提出的问题，本发明结构合理，工作效果好。
5.本发明是一种磁悬浮复合式压电能量俘获器，包括磁电机构、底板和压电机构，其特征是：所述底板中间通过螺栓固定连接有磁电机构，所述底板周围通过螺栓固定连接有压电机构；
6.所述磁电机构包括大磁铁上卡盘、光轴、中间轴承、上轴承套、下轴承套、第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第四磁铁、大磁铁下卡盘、下下卡盘、上线圈和下线圈，所述底板中间插接一根光轴，所述光轴上套设并用螺栓固定连接有大磁铁上卡盘，所述大磁铁上卡盘上缠绕上线圈，所述大磁铁上卡盘上通过螺栓固定连接第一磁铁，所述光轴上套设中间轴承，所述中间轴承套设上轴承套，所述中间轴承套设下轴承套，所述上轴承套套设第二磁铁，所述下轴承套套设第三磁铁，所述光轴上套设并在底板正面通过螺栓固定连接大磁铁下卡盘，所述大磁铁下卡盘上缠绕下线圈，所述大磁铁下卡盘上通过螺栓固定连接第四磁铁，所述光轴上套设并在底板反面通过螺栓固定连接下下卡盘；
7.所述压电机构同等设置有六组，包括薄垫块、垫块、压电梁和压电片，所述底板正面通过螺栓固定连接垫块，所述垫块通过螺栓固定连接薄垫块，所述薄垫块和垫块夹取压电梁，所述压电梁上粘贴有压电片。
8.优选的，所述压电机构同等设置有六组，且呈环形阵列互相间隔60
°
排列。
9.优选的，所述磁电机构第一磁铁和第二磁铁同极相对，所述磁电机构第二磁铁和
第三磁铁异极相对，所述磁电机构第三磁铁和第四磁铁同极相对，所述第一磁铁和第四磁铁是定磁铁，所述第二磁铁和第三磁铁是动磁铁。
10.优选的，所述第二磁铁和第三磁铁是间隙配合，所述第二磁铁和第三磁铁夹取压电梁。
11.优选的，所述压电梁采用黄铜材料，所述压电片采用压电陶瓷。
12.优选的，具体俘能方法包含如下步骤：首先将底板安装在外界可以采集振动的平台上，当平台开始上下和左右振动时，底板在平台带动下产生振动，在底板上的薄垫块和垫块也会产生振动，从而使得被夹取的压电梁产生振动，迫使压电梁上的压电片形变产生电能，在振动的同时，由于压电梁另一端放置在第二磁铁和第三磁铁之间，第二磁铁和第三磁铁是动磁铁，第一磁铁和第四磁铁是定磁铁，动磁铁与定磁铁同极相对，大磁铁上卡盘上通过螺栓固定连接第一磁铁，大磁铁下卡盘上通过螺栓固定连接第四磁铁，第二磁铁通过上轴承套套接在中间轴承上，第三磁铁通过下轴承套套接在中间轴承上，在受到外界环境中的振动激励时，动磁铁受到的磁力发生变化，沿光轴进行上下往复运动，带动压电梁发生形变，大大拓宽了频带，增加了发电量，又因为大磁铁上卡盘上缠绕上线圈，大磁铁下卡盘上缠绕下线圈，故提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了较高能量输出。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
14.1、本发明通过压电梁与压电片的配合，实现通过正压电效应将环境中的振动能量转化为电能，通过线圈与可动磁铁的配合，实现利用电磁感应现象将环境中的振动能量转化为电能，借助磁铁的非线性磁力、线圈的感应电势和压电片中的感应电流，形成了俘能装置的多稳态，拓宽了俘能装置的采集频带，提高了俘能装置的收集效率，而且安装简单且稳定可靠，不易受外界干扰。
15.2、本发明因为压电机构采用了环形阵列，故发电量较大，又因利用磁电机构代替了质量块，使压电机构不受质量块的惯性限制快速形变，大大提升了压电片的输出电压。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为本发明的俯视图；
19.图3为本发明的仰视图；
20.图4为本发明的磁电机构示意图；
21.图5为本发明的磁电机构示意图；
22.图6为本发明的压电机构示意图。
23.图中：1大磁铁上卡盘、2光轴、3中间轴承、4上轴承套、5下轴承套、6
24.第一磁铁、7第二磁铁、8第三磁铁、9第四磁铁、10大磁铁下卡盘、11下下卡盘、12上线圈、13下线圈、14磁电机构、15底板、16薄垫块、17垫块、18压电梁、19压电片、20压电机构。
具体实施方式
25.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
具体实施方式，进一步阐述本发明。
26.请参阅图1-图6，一种磁悬浮复合式压电能量俘获器，包括磁电机构14、底板15和压电机构20，其特征是：底板15中间通过螺栓固定连接有磁电机构14，底板15周围通过螺栓固定连接有压电机构20；磁电机构14包括大磁铁上卡盘1、光轴2、中间轴承3、上轴承套4、下轴承套5、第一磁铁6、第二磁铁7、第三磁铁8、第四磁铁9、大磁铁下卡盘10、下下卡盘11、上线圈12和下线圈13，底板15中间插接一根光轴2，光轴2上套设并用螺栓固定连接有大磁铁上卡盘1，大磁铁上卡盘1上缠绕上线圈12，大磁铁上卡盘1上通过螺栓固定连接第一磁铁6，光轴2上套设中间轴承3，中间轴承3套设上轴承套4，中间轴承3套设下轴承套5，上轴承套4套设第二磁铁7，下轴承套5套设第三磁铁8，光轴2上套设并在底板15正面通过螺栓固定连接大磁铁下卡盘10，大磁铁下卡盘10上缠绕下线圈13，大磁铁下卡盘10上通过螺栓固定连接第四磁铁9，光轴2上套设并在底板15反面通过螺栓固定连接下下卡盘11；压电机构20同等设置有六组，包括薄垫块16、垫块17、压电梁18和压电片19，底板15正面通过螺栓固定连接垫块17，垫块17通过螺栓固定连接薄垫块16，薄垫块16和垫块17夹取压电梁18，压电梁18上粘贴有压电片19。
27.压电机构20同等设置有六组，且呈环形阵列互相间隔60
°
排列。
28.磁电机构14第一磁铁6和第二磁铁7同极相对，磁电机构14第二磁铁7和第三磁铁8异极相对，磁电机构14第三磁铁8和第四磁铁9同极相对，第一磁铁6和第四磁铁9是定磁铁，第二磁铁7和第三磁铁8是动磁铁。
29.第二磁铁7和第三磁铁8是间隙配合，第二磁铁7和第三磁铁8夹取压电梁18。
30.压电梁18采用黄铜材料，压电片19采用压电陶瓷。
31.具体俘能方法包含如下步骤：首先将底板15安装在外界可以采集振动的平台上，当平台开始上下和左右振动时，底板15在平台带动下产生振动，在底板15上的薄垫块16和垫块17也会产生振动，从而使得被夹取的压电梁18产生振动，迫使压电梁18上的压电片19形变产生电能，在振动的同时，由于压电梁18另一端放置在第二磁铁7和第三磁铁8之间，第二磁铁7和第三磁铁8是动磁铁，第一磁铁6和第四磁铁9是定磁铁，动磁铁与定磁铁同极相对，大磁铁上卡盘1上通过螺栓固定连接第一磁铁6，大磁铁下卡盘10上通过螺栓固定连接第四磁铁9，第二磁铁7通过上轴承套4套接在中间轴承3上，第三磁铁8通过下轴承套5套接在中间轴承3上，在受到外界环境中的振动激励时，动磁铁受到的磁力发生变化，沿光轴2进行上下往复运动，带动压电梁18发生形变，大大拓宽了频带，增加了发电量，又因为大磁铁上卡盘1上缠绕上线圈12，大磁铁下卡盘10上缠绕下线圈13，故提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了较高能量输出。
32.综上所述：该磁悬浮复合式压电能量俘获器通过1大磁铁上卡盘、2光轴、3中间轴承、4上轴承套、5下轴承套、6第一磁铁、7第二磁铁、8第三磁铁、9第四磁铁、10大磁铁下卡盘、11下下卡盘、12上线圈、13下线圈、14磁电机构、15底板、16薄垫块、17垫块、18压电梁、19压电片、20压电机构的配合，解决了振动能量采集普遍存在的工作频带窄的问题，提高了能量收集效率，增大了发电量，提升了能量回收的稳定性。
33.以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种磁悬浮复合式压电能量俘获器，包括磁电机构(14)、底板(15)和压电机构(20)，其特征是：所述底板(15)中间通过螺栓固定连接有磁电机构(14)，所述底板(15)周围通过螺栓固定连接有压电机构(20)；所述磁电机构(14)包括大磁铁上卡盘(1)、光轴(2)、中间轴承(3)、上轴承套(4)、下轴承套(5)、第一磁铁(6)、第二磁铁(7)、第三磁铁(8)、第四磁铁(9)、大磁铁下卡盘(10)、下下卡盘(11)、上线圈(12)和下线圈(13)，所述底板(15)中间插接一根光轴(2)，所述光轴(2)上套设并用螺栓固定连接有大磁铁上卡盘(1)，所述大磁铁上卡盘(1)上缠绕上线圈(12)，所述大磁铁上卡盘(1)上通过螺栓固定连接第一磁铁(6)，所述光轴(2)上套设中间轴承(3)，所述中间轴承(3)套设上轴承套(4)，所述中间轴承(3)套设下轴承套(5)，所述上轴承套(4)套设第二磁铁(7)，所述下轴承套(5)套设第三磁铁(8)，所述光轴(2)上套设并在底板(15)正面通过螺栓固定连接大磁铁下卡盘(10)，所述大磁铁下卡盘(10)上缠绕下线圈(13)，所述大磁铁下卡盘(10)上通过螺栓固定连接第四磁铁(9)，所述光轴(2)上套设并在底板(15)反面通过螺栓固定连接下下卡盘(11)；所述压电机构(20)同等设置有六组，包括薄垫块(16)、垫块(17)、压电梁(18)和压电片(19)，所述底板(15)正面通过螺栓固定连接垫块(17)，所述垫块(17)通过螺栓固定连接薄垫块(16)，所述薄垫块(16)和垫块(17)夹取压电梁(18)，所述压电梁(18)上粘贴有压电片(19)。2.根据权利要求1所述的磁悬浮复合式压电能量俘获器，其特征在于：所述压电机构(20)同等设置有六组，且呈环形阵列互相间隔60
°
排列。3.根据权利要求1所述的磁悬浮复合式压电能量俘获器，其特征在于：所述磁电机构(14)第一磁铁(6)和第二磁铁(7)同极相对，所述磁电机构(14)第二磁铁(7)和第三磁铁(8)异极相对，所述磁电机构(14)第三磁铁(8)和第四磁铁(9)同极相对，所述第一磁铁(6)和第四磁铁(9)是定磁铁，所述第二磁铁(7)和第三磁铁(8)是动磁铁。4.根据权利要求1所述的磁悬浮复合式压电能量俘获器，其特征在于：所述第二磁铁(7)和第三磁铁(8)是间隙配合，所述第二磁铁(7)和第三磁铁(8)夹取压电梁(18)。5.根据权利要求1所述的磁悬浮复合式压电能量俘获器，其特征在于：所述压电梁(18)采用黄铜材料，所述压电片(19)采用压电陶瓷。6.根据权利要求1所述的磁悬浮复合式压电能量俘获器，其特征在于：具体俘能方法包含如下步骤：首先将底板(15)安装在外界可以采集振动的平台上，当平台开始上下和左右振动时，底板(15)在平台带动下产生振动，在底板(15)上的薄垫块(16)和垫块(17)也会产生振动，从而使得被夹取的压电梁(18)产生振动，迫使压电梁(18)上的压电片(19)形变产生电能，在振动的同时，由于压电梁(18)另一端放置在第二磁铁(7)和第三磁铁(8)之间，第二磁铁(7)和第三磁铁(8)是动磁铁，第一磁铁(6)和第四磁铁(9)是定磁铁，动磁铁与定磁铁同极相对，大磁铁上卡盘(1)上通过螺栓固定连接第一磁铁(6)，大磁铁下卡盘(10)上通过螺栓固定连接第四磁铁(9)，第二磁铁(7)通过上轴承套(4)套接在中间轴承(3)上，第三磁铁(8)通过下轴承套(5)套接在中间轴承(3)上，在受到外界环境中的振动激励时，动磁铁受到的磁力发生变化，沿光轴(2)进行上下往复运动，带动压电梁(18)发生形变，大大拓宽了频带，增加了发电量，又因为大磁铁上卡盘(1)上缠绕上线圈(12)，大磁铁下卡盘(10)上缠绕下线圈(13)，故提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了较高能量输出。

技术总结
本发明公开了一种磁悬浮复合式压电能量俘获器及俘能方法，属于可再生能源领域。磁悬浮复合式压电能量俘获器包括磁电机构、底板和压电机构，底板中间通过螺栓固定连接有磁电机构，底板周围通过螺栓固定连接有压电机构。本发明提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了较高能量输出，且它能够在较宽频率范围振动激励下产生谐振，从而极大地提高宽频带能量收集效率，解决了现有的振动俘能装置能量转换效率低、压电材料利用率较低、振动俘获频率带宽范围较窄的问题。获频率带宽范围较窄的问题。获频率带宽范围较窄的问题。


技术研发人员：马天兵 曹浩然 徐子梁 张志豪 王能勇
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/10/7