[發(fā)明專利]摩擦?壓電?磁電復(fù)合式振動(dòng)微能源采集器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610243461.0
• 申請(qǐng)日: 2016-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105915117B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何劍;穆繼亮;韓建強(qiáng);溫濤;王二偉;丑修建;薛晨陽(yáng);張文棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N15/00
• 分類號(hào): H02N15/00;H02N2/18;H02N1/04;H02K53/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源,武建云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于器件技術(shù)能源材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種摩擦-壓電-磁電復(fù)合式單自由度微能源采集器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

能源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人類文明的不斷進(jìn)步，都離不開(kāi)化石能源，包括煤炭、石油、天然氣等的廣泛應(yīng)用，因而，可以毫無(wú)夸張地說(shuō)，當(dāng)前的世界經(jīng)濟(jì)是建立在化石能源基礎(chǔ)上的。然而，伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展所引起的全球溫室效應(yīng)和能源短缺已經(jīng)開(kāi)始全面影響人類社會(huì)的生存與發(fā)展，這迫使人們不斷尋找新的能源以及改變現(xiàn)在的用能方式和結(jié)構(gòu)。電能是能源應(yīng)用中最有效、最直接的一種形式，很多能源形式最終都轉(zhuǎn)換為電能而被人加以利用。在宏觀方面，社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人們的日常生活都有賴于常規(guī)能源或新能源所產(chǎn)生和輸送而來(lái)的電能；在微觀方面，個(gè)人電子產(chǎn)品、植入式生物傳感器、微電子機(jī)械系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器甚至小到納米機(jī)器人、微型馬達(dá)等都需要獨(dú)立、持久性的供能裝置來(lái)提供動(dòng)力。

機(jī)械能是周圍環(huán)境中分布最廣且最容易獲取的能量之一，存在于機(jī)械振動(dòng)、風(fēng)動(dòng)能、水流動(dòng)能以及肌肉伸縮等各種情景中。相應(yīng)地，許多方法也被提出用來(lái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，包括電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、壓電效應(yīng)和摩擦發(fā)電。摩擦發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，依靠摩擦點(diǎn)電勢(shì)的充電泵效應(yīng)，把極其微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在摩擦過(guò)程中，具有不同摩擦極性的兩種材料相互接觸-分離，進(jìn)而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流。相對(duì)于其他發(fā)電形式，摩擦發(fā)電具有體積小、重量輕、高輸出功率、低成本和可選材料種類豐富等優(yōu)勢(shì)。然而，不論哪種形式的發(fā)電方式都存在一定的局限性，不能達(dá)到對(duì)機(jī)械能的高效采集，輸入的大部分能量以熱能、材料形變和物體動(dòng)能等形式耗散掉。為了解決機(jī)械能的高效采集問(wèn)題，將具有互補(bǔ)工作模式的發(fā)電方式集成在同一器件上是一種可行性很高且有效的解決途徑。因此，設(shè)計(jì)一種新型的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種采集方式相結(jié)合將大幅度提高采集效率，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種新型摩擦-壓電-磁電復(fù)合式單自由度振動(dòng)微能源采集器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種采集方式相結(jié)合，將大幅度提高采集效率。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種摩擦-壓電-磁電復(fù)合式振動(dòng)微能源采集器，包括位于中部的磁懸浮支撐架，所述磁懸浮支撐架的邊緣四周的磁鐵放置腔內(nèi)放置懸浮固定磁鐵柱，所述磁懸浮支撐架的中心空腔內(nèi)放置磁鐵支架，所述磁鐵支架內(nèi)固定懸浮磁鐵；所述磁懸浮支撐架的上下兩側(cè)分別設(shè)置摩擦薄膜，所述摩擦薄膜的背面覆蓋一層電極并引出導(dǎo)線；上下兩層摩擦薄膜分別固定于上下層的電磁感應(yīng)線圈上，每層電磁感應(yīng)線圈固定安裝于各自的線圈支架中心并引出導(dǎo)線；所述線圈支架固定安裝于結(jié)構(gòu)基座上；所述結(jié)構(gòu)基座內(nèi)固定安裝壓電薄膜并引出導(dǎo)線，所述壓電薄膜中心設(shè)置磁鐵片；位于上下層的線圈支架對(duì)稱固定安裝于磁懸浮支撐架的兩側(cè)。

摩擦-壓電-磁電復(fù)合式微能源采集器由內(nèi)到外依次是電磁層、摩擦層、壓電層、結(jié)構(gòu)基座。電磁層利用磁懸浮原理將一塊扁圓形磁鐵懸浮起來(lái)，通過(guò)懸浮磁鐵感應(yīng)外部環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)，懸浮磁鐵發(fā)生振動(dòng)，電磁感應(yīng)線圈就可以產(chǎn)生感應(yīng)電荷，電荷流過(guò)外電路形成電流，提高磁鐵采集振動(dòng)能的靈敏性，可以感應(yīng)更加微小的振動(dòng)，有利于提高采集效率。摩擦層的摩擦材料背面覆一層電極，雙層摩擦膜順序疊放，懸浮磁鐵振動(dòng)時(shí)會(huì)與位于其兩側(cè)的摩擦薄膜形成撞擊，受到擠壓時(shí)，雙層摩擦膜感應(yīng)出電荷，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流。壓電層的壓電薄膜中心固定有一塊小型磁鐵片，磁極與懸浮磁鐵的磁極相對(duì)，因?yàn)殡姶艌?chǎng)同極相斥，在懸浮磁鐵振動(dòng)時(shí)會(huì)排斥磁鐵片使其產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)壓電薄膜產(chǎn)生形變，由于磁場(chǎng)的同極相斥原理從而使壓電薄膜發(fā)生形變產(chǎn)生電流。整個(gè)機(jī)構(gòu)采取上下對(duì)稱設(shè)計(jì)，增加能源采集單元，提高采集效率。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，將壓電單元、摩擦單元和磁電單元集成在方形機(jī)構(gòu)中，能實(shí)現(xiàn)多種能源轉(zhuǎn)化方式的復(fù)合式應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，以及更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)合，可以解決個(gè)人電子產(chǎn)品（如手機(jī)、手環(huán)等）和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（如森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)、紅外傳感安防系統(tǒng)等）的自供電問(wèn)題，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1表示本發(fā)明所述能量采集器件的分解示意圖。

圖2表示本發(fā)明所述能量采集器件的剖面示意圖。

圖3磁懸浮示意圖。

圖中：1-結(jié)構(gòu)基座，2-壓電層，3-磁鐵片，4-圓柱電極，5-支撐梁，6-線圈支架，7-電磁感應(yīng)線圈，8-磁懸浮支撐架，9-懸浮固定磁鐵柱，10-摩擦薄膜，11-懸浮磁鐵，12-磁鐵支架。

具體實(shí)施方式