[發明專利]一種采用旋轉擺式結構的壓磁/壓電寬頻振動能量采集器

有效

• 申請號: 201310034338.4
• 申請日: 2013-01-30
• 公開（公告）號: CN103117676A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 代顯智;張章;王勇;肖順文;張謙述;劉漢奎;戚準兵
• 申請（專利權）人: 西華師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 南充三新專利代理有限責任公司 51207
• 代理人: 杜應龍

技術領域

本發明涉及的是一種能源技術領域的裝置，尤其涉及一種采用旋轉擺式結構的壓磁/壓電寬頻振動能量采集裝置。

背景技術

振動是環境中普遍存在的一種現象，廣泛存在于橋梁、樓宇、船舶、車輛、機床、家用電器（冰箱、洗衣機、微波爐）等各種生產生活設備中，也存在于人體的血液流動、心臟跳動、肢體運動等生命過程中。如果將環境中的振動轉化為電能，為無線網絡、嵌入式系統等低功耗設備供電，有著非常廣泛的應用前景。

環境中的振動通常不是單一頻率的振動，它的頻率成分常分布在一個較寬的頻帶內。為了從環境振動中獲取更多的能量、增大振動能量采集器的應用范圍，有必要研發出具有寬頻特性的振動能量采集器。

經過對現有技術的檢索發現，中國專利申請號：201010300986.6，名稱為：壓電超磁致伸縮復合式寬頻振動能量采集器，該發明提出了采用雙穩態梁與壓電超磁致伸縮復合換能器實現寬頻振動能量采集的方法。該發明中，雙穩態梁的下表面固定有一永磁鐵，雙穩態梁在一定的振動加速度條件下，會在其兩個穩態位置間切換。切換時，永磁鐵與壓電超磁致伸縮復合換能器距離改變，引起壓電超磁致伸縮復合換能器感應到的磁場發生改變，使壓電超磁致伸縮復合換能器產生電能輸出。該發明雖然能夠實現寬頻能量采集，但需要外界振動加速度大到能克服雙穩態梁穩態位置轉換所需的臨界力時，振動能量采集器才能工作，限制了其應用范圍。

另外還可利用具有不同諧振頻率的懸臂梁陣列展寬振動能量采集器的頻帶，如中國發明專利201010207427.0、201010601354.3。這種方式可獲得較寬的頻帶，但在每一振動頻率下，只有一個梁發生諧振，其它非諧振梁輸出的功率微乎其微，因此這種方式會增大采集器的體積，降低振動能量采集器的輸出功率密度。

磁致伸縮是指在交變磁場作用下，物體產生與交變磁場頻率相同的機械振動，或者相反，在拉伸、壓縮力作用下，由于材料的長度發生變化，使材料內部磁通密度相應地發生變化，在線圈中感應電流，機械能轉換成電能。而壓電材料受到壓力作用時，也會產生電能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種使壓磁/壓電換能元件能在寬頻振動環境中獲得較大輸出功率，擴大振動能量采集器的使用范圍，解決傳統的壓電能量采集器采集頻帶窄，輸出功率低的一種能量采集器。

為實現上述目的，本發明技術方案為：設計一門式框，框的左支撐板的上端開有孔，孔內裝有軸承，軸承內裝有一懸臂梁，懸臂梁伸出的一端依次穿進一旋轉式偏心擺的擺動孔，再伸出的端部與一壓磁/壓電換能器固定連接，所述的壓磁/壓電換能器嵌設在一對永磁體組成的氣隙中，連接永磁體的銜鐵固定在門式框的右支撐板上，或由軸承支持的懸臂梁伸出的一端與一對永磁體的固定板連接，一壓磁/壓電換能器嵌設在永磁體所形成的氣隙中，壓磁/壓電換能器的中心軸固定在門式框的左支撐板上。

所述的壓磁/壓電換能器由一層磁致伸縮材料與一層壓電材料粘接而成，或者由多層磁致伸縮材料與多層壓電材料交錯疊放粘接而成，多層壓電材料間采用串聯或并聯連接。

所述的壓磁/壓電換能器采用圓形片狀結構，其中磁致伸縮層的磁化方向沿其一直徑方向，壓電層的極化方向與磁致伸縮層的磁化方向相同，或者壓電層的極化方向采用厚度方向。

所述的永磁體磁路采用單個磁鐵加上銜鐵構成；或者采用兩個磁鐵及銜鐵構成，其中兩個磁鐵相對面的極性相反，增強永磁體磁路中的磁感應強度。

采用上述方案，可知旋轉擺式壓磁/壓電寬頻振動能量采集器由兩種結構組成，當旋轉擺可由一單獨的偏心擺構成時，將壓磁/壓電換能器或永磁體磁路中一個固定在偏心擺上，另一個固定在框體的另一支撐板上；而當旋轉擺由永磁體磁路上添加質量塊構成偏心擺式結構時，應將壓磁/壓電換能器固定在框體的另一支撐板上。當能量采集器處于振動環境中時，旋轉擺感應環境中的振動，產生來回的擺動或旋轉運動。在旋轉擺帶動作用下，使壓磁/壓電換能器與永磁體磁路產生相對地轉動。在相對轉動過程中，壓磁/壓電換能器感應到變化的磁場，在變化磁場的作用下，換能器中的磁致伸縮層產生機械應變，機械應變傳遞到壓電層，產生電能輸出，實現機械能到電能的轉換。