[發明專利]基于壓電和電磁耦合的復合式寬頻振動能量采集器

無效

• 申請號: 201310307879.X
• 申請日: 2013-07-22
• 公開（公告）號: CN103337988A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 董林璽;李攀峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明涉及的是一種能源技術領域的能量采集器件，尤其是一種基于壓電和電磁耦合的復合式寬頻振動能量采集器。

背景技術

隨著微電子技術的飛速發展與日趨成熟，電子產品正在不斷地趨向于微型化和集成化。但是，隨著研究的不斷深入，如何為各種新型電子元器件供電已成為進一步推進其應用研究需要解決的關鍵問題。在實際應用過程中，這類器件往往是大量散布在環境條件苛刻、人類難以接近的地方或植入被測物體內部，對供能元件的體積、成本、工作條件、壽命都提出較高的綜合要求。傳統供電方式，主要是電池或電源線都難以滿足要求。必須尋找一種新的電源，使之可以克服在各種微型無線傳感產品和嵌入式器件中使用傳統電池和有線電源帶來的諸多缺點，如壽命短，存儲能量有限，能量耗盡需重復充電，而在某些應用環境中又要求系統脫離電源線和充電器的束縛。

能量采集器可以把周圍環境存在的能量收集起來轉換成電能，然后直接給電子器件供電或者存儲在儲能器件中。只要外界存在能量來源，就可以采用這種方法持續補充能量。振動機械能是一種最容易從周圍環境中獲得的能量源，廣泛地存在于家用電器、工業工廠設備、各種可動物體以及人體運動等。因此，振動能量采集器成為可自我維持的新型電源技術研究領域的一個重要方向。目前，基于振動的能量采集方法一般有三種：電磁式、靜電式和壓電式。電磁式振動能量采集器原理類似于發電機原理，主要是依靠線圈切割磁場時產生電流而將振動能轉換成電能。靜電式振動能量采集器也可稱為電容式振動能力采集器，是利用外部設備如輔助電源或電容使處于運動狀態的電容極片上的電壓保持不變，當極片隨外部環境運動造成電容容量變化時而使電容極片上己經充上的電荷發生運動，形成電流，由此將外部機械運動的能量轉化成電能。壓電式振動能量采集器的工作機制是壓電材料的壓電效應。當壓電材料受到機械應力作用時，在材料的兩個面上就會產生開路電壓（分離的電荷）。

?單一的振動能量采集方式都各有自己的優缺點，而傳統能量采集器一般采用線性共振形式，只能采集特定頻率的環境振動，且其帶寬通常較窄，能量采集效率低下。

發明內容

為克服現有技術存在的上述不足，本發明提供一種基于壓電和電磁耦合的復合式寬頻振動能量采集器，該振動能量采集器有效地結合了壓電式和電磁式這兩種能量采集方式，取長補短，進一步優化采集器的轉化效率以及輸出性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：該能量采集器包括外圍結構、懸臂梁陣列、磁性質量塊和感應線圈；懸臂梁陣列包括左、右兩個梳齒型結構，共十組壓電懸臂梁振子對,左、右兩邊各有五組；左邊五組壓電懸臂梁振子對的長度從前至后依次遞減，右邊五組壓電懸臂梁振子對的長度從前至后依次增加，且兩邊懸臂梁振子兩兩相對，間距相同；每對壓電懸臂梁振子分上、下兩層，且長度相同，平行相對，振子一端固定于外圍結構上，另一端懸空；磁性質量塊固定于上層壓電懸臂梁振子末端的下表面；感應線圈電鍍于下層壓電懸臂梁振子末端的上表面；磁性質量塊與平面螺旋線圈上下平行相對。

進一步的，壓電懸臂梁振子由三層構成：上、下兩層為壓電層，材料為壓電陶瓷薄膜，其表面覆蓋金屬電極層；中間支撐層為柔性較好的碳素纖維，其長度、寬度與壓電層一致；兩個壓電片電壓輸出為并聯相連。

進一步的，磁性質量塊為包含磁性納米顆粒的長方體質量塊。

進一步的，感應線圈由銅構成，為螺旋線圈結構。

本發明的有益效果是：整合了壓電、電磁能量采集雙重理論，可以捕獲多種模態的環境振動能量；采用陣列式結構，利用多懸臂梁振子不同的諧振頻率，實現在一定頻譜范圍內諧振。從而有效地拓寬了采集頻帶寬度，進一步提高了采集效率和輸出功率，在新型電子器件的設計和制作中具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明基于壓電和電磁耦合的復合式寬頻振動能量采集器的結構俯視圖。

????圖2為本發明基于壓電和電磁耦合的復合式寬頻振動能量采集器的結構正視圖。

????圖3為本發明上層懸臂梁振子的結構正視圖。

????圖4為本發明下層懸臂梁振子的結構正視圖。

????圖5為本發明下層懸臂梁振子的結構俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。