[發明專利]復合式俘能器

在審

• 申請號: 201710173761.0
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106877740A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 楊琨;郭曉宇;吳思超;乞兆誠;梁鈺;趙曉興;李彥甫;朱子謙
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明涉及俘能器，具體的說就是集壓電、磁電、磁致伸縮三種發電方式為一體的新型俘能器。

背景技術

隨著人們對環境問題的關注以及對新能源的渴望，新型環保的能量采集技術成為國內外研究學者探究的熱點；同時隨著對半導體元件的集成化研究的不斷深入，將振動機械能通過采集技術轉化為電能并為微機電系統供電成為可能。近年來，越來越多的研究人員致力于利用環境振動能量來發電的研究工作，并生產相應的產品投入到現實生活中去。例如麻省理工學院的John Kymissis等人設計發明的自發電鞋墊；Soon-Duck Kwon設計了一款電磁式低頻振動發電裝置用來采集汽車引發的橋梁振動能。

對于人類正常生活中的振動微能源，我們聚焦于汽車發動機的振動能量流失。汽車的使用在生活中日趨廣泛，據統計中國大中型城市家庭汽車的擁有率在60％以上，中小城市家庭汽車擁有率在20％以上，農村家庭汽車擁有率在5％以上。汽車中振動頻率較低的在40～50Hz，大型車輛中振動頻率較高的能達到100Hz，甚至更高。將汽車發動機上所產生的能量損失利用起來將是能源利用上一個不小的突破。現今中國還沒有專門的針對汽車發動機振動能量損失所進行的深入研究。

按照能量采集原理的不同，目前振動發電裝置大致可分為靜電式、電磁式、壓電式和磁致伸縮式四種形式。其中壓電式振動能量采集裝置的工作原理是依據壓電材料的壓電效應，即通過壓電陶瓷的振動來實現機械能與電能之間的轉換，在其中最為廣泛也最受關注；在壓電薄膜材料中，PZT是最受關注的，也正是新型俘能器所需要的。PZT薄膜是一種鈣鈦礦結構的鐵電性薄膜材料，它具有高的介電常數，低的聲波速度，高的耦合系數，它的橫向壓電系數和縱向壓電系數都是很高的，因此，PZT薄膜材料被視為最有前途的壓電薄膜材料。基于PZT薄膜的新型俘能器的研究和開發開始于上世紀80年代，已經取得了一系列豐富的成果。而磁致伸縮式能量采集裝置工作原理是在外界的壓應力作用下，超磁致伸縮材料內部的磁通密度會發生變化，超磁致伸縮材料外部的感應線圈上能產生感應電動勢，從而使項機械能向電能轉換。

針對此問題，本發明提出一種多懸臂梁－中心質量塊結構的新型復合式新型俘能器，從振動的角度以提高裝置的發電性能，并預想把它運用到汽車發動機上。這種復合式新型俘能器能有效地把振動能這種微能源利用起來，通過自身，環境振動使中心質量塊振動，PZT壓電敏感單元由于壓電效應產生電勢差；同時中心質量塊上集成的高密度線圈切割磁感線產生感應電動勢，并且磁通密度的變化使得超磁致伸縮材料外部感應線圈產生電流，將壓電轉換，磁電轉換及磁致伸縮轉換相結合把振動能轉換為電能。本發明將這種復合式新型俘能器件運用到汽車發動機上，利用其原理及特性，將發動機振動損失的能量有效的利用起來，從而達到能源的多次利用。汽車發動機振動能的再利用將成為新能源利用的重大突破。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對上述現有技術存在的不足，提供一種集壓電、磁電、磁致伸縮三種發電方式為一體的復合式新型俘能器。

本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：

本發明提供的復合式俘能器，其包括懸臂梁、中心質量塊結構、永磁鐵基座、圓環，其中：懸臂梁有多根，均勻分布，并且其外端與圓環的內側面焊接相連，其內端與中心質量塊側部焊接相連，由此形成一體結構；永磁鐵基座通過多根立桿與圓環進行焊接；該俘能器的單個組元設計成對稱結構，所述一體結構關于永磁鐵基座鏡面對稱。

所述多根懸臂梁，其結構和物理性能完全相同；每根懸臂梁表面涂覆有異質集成的磁致伸縮—壓電復合材料層。

所述的磁致伸縮材料采用Terfenol-D材料，壓電材料采用PZT陶瓷材料。

所述的PZT陶瓷材料采用PZT-5H材料。

所述的中心質量塊設計成圓柱體形結構，內部嵌入環形的電磁感應體。

將所述的永磁體基座設計成圓形結構，置于單一組元的中間，并通過多根立桿與懸臂梁以及中心質量塊結構相連接。

本發明提供的上述的復合式俘能器，其是壓電式、磁電式、磁致伸縮一體結構的復合式俘能器，其產生的電能用于向車載設備供電。

本發明提供的復合式俘能器，其采用組網模式向車載設備供電，具體是：將數個俘能器并行排列，形成單元組，將每個單元組平行粘在板上，并將粘有俘能器的該板固定于汽車發動機殼體上方，由汽車發動時產生的振動帶動俘能器振動，產生電能；每個俘能器產生的電能由導線連接輸出，通過導線線路設計實現電能的串聯輸出，最終將所得全部電能供給車載蓄電池，從而實現為車載設備供電的目的。