一种双稳态双模式的振动能量采集器的制作方法

本发明涉及能量采集领域，更具体地，涉及一种双稳态双模式的振动能量采集器。

背景技术：

随着电子信息技术和机电技术的发展，人们对便携式电子设备的需求与日俱增，然而便携设备的便携性和续航时间越来越受到供电电池的限制，传统化学电池具有供电寿命短、体积大、质量大、污染环境等问题。能量采集成为人们研究的一大热点。能量采集器的能量来源主要包括：热能、太阳能、风能、机械能等。现有技术中的悬臂式压电采集器就是将人类行走或运动时的机械能转换成电能，为无线传感器和小功率的便携设备提供电能。

现有技术所提供的悬臂式压电能量采集器的结构如图1、2所示，由压电悬臂1和质量块2组成，其中压电悬臂1由压电材料制成。当压电材料受到一定方向的外力时，其内部会产生电极化现象，上下表面出现正负相反的电荷，而且电荷的面密度与施加的作用力成正比。当外力消失时，电荷会消失，压电材料又会恢复到原来的不带电的状态。常用的压电材料包括PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷、PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜等。并且，当能量采集器达到谐振频率的时候，产生的电能是最多的。但是，由于该能量采集器仅仅是通过外力对压电材料的作用来进行能量采集的，其采集能量的效率不高；且该能量采集器的谐振频率很高，如图3所示，当压电悬臂的规格为21mm(长)×14mm(宽)×0.16(厚)mm，质量块的重量为0.06g的时候，其谐振频率大概是75Hz，而人体运动所产生的振动频率只有几Hz至十几Hz，因此该能量采集器佩戴在人体上时，由于振动频率的限制导致其无法以较高的效率进行能量采集。如果想要降低这种类型能量采集器的谐振频率，就需要增加压电悬臂的尺寸，这对能量采集器的耐用性和集成性产生不利影响。

技术实现要素：

本发明为解决以上现有技术提供的能量采集器采集能量效率不高的难题，提供了一种同时工作在两种能量采集模式的振动能量采集器，该能量采集器的输出功率与现有技术相比得到了提高。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种双稳态双模式的振动能量采集器，包括压电悬臂，所述压电悬臂的左端固定，所述能量采集器还包括有固定在压电悬臂右端顶面上的第一磁铁和固定在第一磁铁上方的第二磁铁，所述第二磁铁与第一磁铁在垂直方向上留有间距，第二磁铁上套取有线圈。

振动能量采集器的具体工作原理如下：

当发生振动时，压电悬臂受到外力的作用，此时，压电悬臂内部会产生电极化现象，上下表面出现正负相反的电荷。此外，由于在振动的过程中压电悬臂的右端会发生上下移动，此时套取在第二磁铁上的线圈做切割磁感线运动，产生电能。通过对出现的电荷的收集以及产生的电能的收集可以达到能量采集的目的。因此，本发明所提供的能量采集器具有两个能量采集模式，分别为压电能量采集模式和电磁感应能量采集模式。两个能量采集模式的能量采集器能够以较高的效率对振动能量进行采集，与现有技术相比，机械能的转化率得到了提高。并且，磁铁之间的相互作用可以增大压电悬臂的振幅，增大压电材料的形变，从而增加上下电极表面的电荷面密度。

优选地，所述能量采集器还包括有固定在压电悬臂右端底面上的第三磁铁和固定在第三磁铁下方的第四磁铁，所述第三磁铁与第四磁铁在垂直方向上留有间距，第四磁铁上套取有线圈；第二磁铁与第一磁铁相互吸引；第三磁铁与第四磁铁相互排斥。通过增设第三磁铁和第四磁铁，使得在发生振动时能量采集器能够以双倍规模做切割磁感线运动，实现更大功率能量的采集。同时，通过增设第三磁铁和第四磁铁，磁铁之间的相互作用力使得能量采集器具有双稳态，所谓的双稳态中的一个稳态是指压电悬臂自由振动后到达的稳态，另一稳态是指磁铁的吸引力、排斥力使压电悬臂达到的一种稳态。研究表明，能量采集器在外界振动频率与器件自然频率相同时，能量采集器能量转换率最高。双稳态结构可以有效拓宽能量采集器的工作频带宽度，从而增加振动机械能的转化率。

优选地，所述压电悬臂包括一右端开设有开口槽的板状件和第一条状件、第二条状件、第三条状件、第四条状件，第一条状件、第二条状件、第三条状件、第四条状件从后到前依次水平设置在开口槽内；其中第一条状件的右端与板状件连接，第一条状件的左端与第二条状件的左端连接，第二条状件的右端与第三条状件的右端连接，第三条状件的左端与第四条状件的左端连接，第四条状件的右端与板状件连接；板状件的左端固定设置；所述第一磁铁、第三磁铁分别设置在第二条状件、第三条状件连接处的顶面和底面上；所述板状件、第一条状件、第二条状件、第三条状件、第四条状件均由压电材料制成。

第一条状件的右端与板状件连接，第一条状件的左端与第二条状件的左端连接，第二条状件的右端与第三条状件的右端连接，第三条状件的左端与第四条状件的左端连接，第四条状件的右端与板状件连接，这样设置的原因在于，使得压电悬臂能够具有足够的弹性，因此在受到振动时，第一磁铁、第三磁铁能够发生更大程度的振动幅度，实现对更多磁感线的切割，从而增大输出功率。

优选地，所述第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁和第四磁铁设置在同一垂直方向上。

优选地，所述压电悬臂由锆钛酸铅压电陶瓷或聚偏氟乙烯压电薄膜制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的能量采集器具有两个能量采集模式，分别为压电能量采集模式和电磁感应能量采集模式。两个能量采集模式的能量采集器能够以较高的效率对振动能量进行采集，与现有技术相比，机械能的转化率得到了提高。

附图说明

图1为现有技术提供的能量收集器的结构示意图。

图2为现有技术提供的能量收集器的立体示意图。

图3为现有技术提供的能量收集器的输出功率与振动频率的关系示意图。

图4为本发明提供的能量收集器的结构示意图。

图5为压电悬臂的结构示意图。

图6为压电悬臂的立体示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图4所示，本实施例提供的振动能量采集器包括压电悬臂1和固定在压电悬臂1右端顶面上的磁铁2和固定在磁铁2上方的磁铁3，所述压电悬臂1的左端固定，所述磁铁3与磁铁2在垂直方向上留有间距，磁铁3上套取有线圈4。

振动能量采集器的具体工作原理如下：

当发生振动时，压电悬臂1受到外力的作用，此时，压电悬臂1内部会产生电极化现象，上下表面出现正负相反的电荷。此外，由于在振动的过程中压电悬臂1的右端会发生上下移动，此时套取在磁铁3上的线圈4做切割磁感线运动，产生电能。通过对出现的电荷的收集以及产生的电能的收集可以达到能量采集的目的。因此，本发明所提供的能量采集器具有两个能量采集模式，分别为压电能量采集模式和电磁感应能量采集模式。两个能量采集模式的能量采集器能够以较高的效率对振动能量进行采集，与现有技术相比，振动机械能的转化率得到了提高。

实施例2

进一步地，如图4所示，本实施例提供的能量采集器在实施例1的基础上，还包括有固定在压电悬臂1右端底面上的磁铁5和固定在磁铁5下方的磁铁6，所述磁铁5与磁铁6在垂直方向上留有间距，磁铁6上套取有线圈4；磁铁3与磁铁2相互吸引；磁铁5与磁铁6相互排斥。通过增设磁铁5和磁铁6，使得在发生振动时能量采集器能够以双倍规模做切割磁感线运动，实现更大功率能量的采集。同时，通过增设磁铁5和磁铁6，能够降低能量采集器的谐振频率。并且磁铁之间的相互作用力使得能量采集器具有双稳态，所谓的双稳态中的一个稳态是指压电悬臂1自由振动后到达的稳态，另一稳态是指磁铁的吸引力、排斥力使压电悬臂1达到的一种稳态。研究表明，能量采集器在外界振动频率与器件自然频率相同时，能量采集器能量转换率最高。双稳态结构可以有效拓宽能量采集器的工作频带宽度，从而增加振动机械能的转化率。

实施例3

本实施例对实施例1、实施例2的能量采集器的压电悬臂1具体结构进行了限定，所述压电悬臂1采用了曲折型的结构，如图5、6所示，本实施例中，压电悬臂1包括一右端开设有开口槽111的板状件11和条状件12、条状件13、条状件14、条状件15，条状件12、条状件13、条状件14、条状件15从后到前依次水平设置在开口槽111内；其中条状件12的右端与板状件11连接，条状件12的左端与条状件13的左端连接，条状件13的右端与条状件14的右端连接，条状件14的左端与条状件15的左端连接，条状件15的右端与板状件11连接；板状件11的左端固定设置；所述磁铁2、磁铁5分别设置在条状件13、条状件14连接处的顶面和底面上；所述板状件11、条状件12、条状件13、条状件14、条状件15均由压电材料制成。

条状件12的右端与板状件11连接，条状件12的左端与条状件13的左端连接，条状件13的右端与条状件14的右端连接，条状件14的左端与条状件15的左端连接，条状件15的右端与板状件11连接，这样设置的原因在于，使得压电悬臂1能够具有足够的弹性，因此在受到振动时，磁铁2、磁铁5能够发生更大程度的振动幅度，实现对更多磁感线的切割，从而增大输出功率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。