一种弹簧片式双稳态电磁压电复合能量收集装置的制作方法

本发明属于能量回收领域，主要涉及一种弹簧片式双稳态电磁压电复合能量收集装置。

背景技术：

近年来,随着智慧城市的建设、环境问题的监测以及物联网的构建,基于MEMS传感器、无线通讯和嵌入式控制系统的无线传感网络技术得以迅猛发展。然而,让无线传感网络节点能够长期处于免维护运行状态成为进一步推进其应用的瓶颈。振动作为自然界常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度。振动能量收集技术可将周围环境中的振动能量转换为可利用的电能,能有效地实现无线传感网络节点的自我供电,具有重大的研究价值和良好的发展前景。

收集振动能量的主要方法是利用静电、电磁、压电等效应，通过能量收集装置将外部的振动能转换成电能。如一种复合式宽频带振动能量收集器，该装置由外壳以及设置在外壳内部的压电梁、两个质量块、两个线圈、两个磁铁组成。压电梁的一端水平固定在外壳的内壁上，另一端为自由端。两个质量块分别固定在压电梁自由端的上下表面；两个线圈分别固定在两个质量块上,两个磁铁分别固定在外壳的内壁上。在压电梁振动过程中，压电梁上下表面的压电元件受到应力和应变的作用会产生电荷输出。同时，压电梁振动使得其自由端的线圈与上下两磁铁块发生相对运动，从而使线圈中产生感应电流。该结构虽然同时采用了电磁、压电双重效应进行发电，但只有当外界环境的振动激励频率接近压电梁的固有频率时，压电梁才能产生大幅振动，才能产生明显的压电效应和电磁感应现象。然而自然环境中的振动往往是宽频带的随机振动，该能量收集器的工作频带较窄，发电效率十分有限。因此设计一种工作频带宽、振子振动幅度大的电磁压电复合能量收集装置具有较大的研究意义和实用价值。

技术实现要素：

为了弥补普通的电磁压电复合能量收集装置工作频带窄、振子振动幅度小、发电效率低等缺陷，本发明提供一种弹簧片式双稳态电磁压电复合能量收集装置。

一种弹簧片式双稳态电磁压电复合能量收集装置包括静态机构和动态机构；

所述静态机构包括箱式的机壳1，机壳1内一侧中部设有轴承支座4，相对的另一侧中部设有一块柱状的定磁铁7；与定磁铁7相邻的机壳1内侧顶部设有至少一个的上部线圈8，内侧底部设有至少一个的下部线圈10，且至少一个的上部线圈8和至少一个的下部线圈10上下对应；

所述动态机构包括矩形框架式的摆框2，摆框2通过转轴3和轴承支座4的配合设于机壳1内；所述转轴3中部连接着V形或U形的弹簧片5的中部，弹簧片5表面设有压电元件9；在自然状态下，弹簧片5的一端恰好与机壳1的内侧顶壁相接触，另一端恰好与机壳1的内侧底壁相接触；摆框2的另一端设有至少一个的柱状的振子磁铁6，所述振子磁铁6垂直于摆框2，至少一个的振子磁铁6的两端分别对应着至少一个的上部线圈8和至少一个的下部线圈10；

所述至少一个的振子磁铁6和定磁铁7均沿轴向磁化，且相互排斥；

工作时，将机壳1固定在机械结构或建筑结构等能产生振动的结构上；

在外界振动激励的作用下，摆框2的摆动带动转轴3转动，进而带动弹簧片5及压电元件9变形并产生电荷，电能通过压电元件9的电极端引线输出；另一方面，摆框2上的振子磁铁6在上下摆动的同时，磁铁周围的磁场也随之运动，至少一个的上部线圈8和至少一个的下部线圈10在磁场中切割磁感线并产生感应电流，电流通过导线输出。

进一步限定的技术方案如下：

所述机壳1的材料为铜或铝；机壳1的内侧顶壁和内侧底壁上分别设有绝缘层，从而避免与所述至少一个的上部线圈8和至少一个的下部线圈10导通。

所述摆框2的另一端设有三个振子磁铁6。

所述摆框2的材料为铜。

所述弹簧片5的材料为弹簧钢或弹性金属。

所述定磁铁7的材料和振子磁铁6的材料均为钕铁硼永磁铁。

所述压电元件9的材料为聚偏氟乙烯。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明是一种电磁压电复合能量收集装置，同时运用了电磁感应现象和压电效应两种发电原理进行工作，空间结构利用率更高，能量采集效率也可得到有效提高。可不消耗任何化石能源为低功耗的微型传感器等微电子元器件采能和供电，是一种环境友好型能量收集装置。

2.本发明使用了摆框和振子磁铁代替了传统的弹性悬臂梁和振子质量块。传统的弹性悬臂梁一端往往采用固定连接的连接方式，而本发明装置中的摆框一端通过转轴实现转动连接，这使得摆框另一端的振子磁铁能够获得更大的振动位移，可增大电磁感应效应，使线圈中产生更大的感应电流。

3.本发明是一种双稳态结构，对于装置中的摆框而言，存在上下两个稳态位置，使得弹簧片为摆框提供的弹性回复力和磁铁的斥力在转轴处产生的转动力矩相互平衡，从而使摆框和振子磁铁产生双稳态的振动形式，可进一步加大摆框的摆动幅度，显著增大系统带宽，增大弹簧片以及压电元件的变形量，增强压电效应。与单稳态的悬臂梁结构相比，在相同的外部振动激励作用下，本发明的摆框振动幅值可达到悬臂梁振动幅值的1.6倍以上，压电元件的开路输出电压至少是悬臂梁结构的2倍。同时，振幅的增大又会进一步提高线圈的磁通量变化率，从而显著提高发电效率。

附图说明：

图1为本发明装置的整体空间结构图。

图2为本发明装置的静态机构。

图3为本发明装置的动态机构。

图4为本发明装置中摆框摆动到上方稳态位置时的受力图。

图5为包含三块振子磁铁以及三对线圈的装置整体空间结构图。

图6为装置机壳、轴承支座、三对线圈以及定磁铁组成的静态机构。

图7为装置的摆框、转轴、弹簧片、压电元件以及三对振子磁铁组成的动态机构。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

上图中序号：机壳1、摆框2、转轴3、轴承支座4、弹簧片5、振子磁铁6、定磁铁7、上部线圈8、压电元件9、下部线圈10。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种弹簧片式双稳态电磁压电复合能量收集装置包括静态机构和动态机构。

参见图2，静态机构包括箱式的机壳1，机壳1内一侧中部安装有轴承支座4，相对的另一侧中部安装有一块柱状的定磁铁7；与定磁铁7相邻的机壳1内侧顶部安装有一个上部线圈8，内侧底部安装有一个下部线圈10，且上部线圈8和下部线圈10上下对应。机壳1的材料为铝，机壳1的内侧顶壁和内侧底壁上分别设有绝缘层，从而避免与上部线圈8和下部线圈10导通。

参见图3，动态机构包括矩形框架式的摆框2，摆框2的材料为铜。摆框2的一端通过转轴3和轴承支座4的配合安装于机壳1内。转轴3中部连接着弹簧片5的中部，弹簧片5为V形薄片，材料为弹簧钢。在自然状态下，弹簧片5的两端恰好分别与机壳1的内侧顶壁和内侧底壁相接触，弹簧片5表面设有压电元件9；压电元件9的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)。摆框2的另一端安装有一个柱状的振子磁铁6，振子磁铁6垂直于摆框2，振子磁铁6的两端分别对应着上部线圈8和下部线圈10。振子磁铁6的直径为30mm，是上部线圈8直径的一半，振子磁铁6到转轴3的距离与振子磁铁6到定磁铁7的距离之比为4：1。定磁铁7的材料和振子磁铁6的材料均为钕铁硼永磁铁,性能牌号均为N35，均沿轴向磁化，且相互排斥。

工作时，通过机壳1将装置固定在机械结构或建筑结构等能产生振动的结构上。在外界振动激励的作用下，摆框2摆动并带动转轴3转动，进而带动弹簧片5及压电元件9变形并产生电荷，电能通过电极端引线输出；另一方面，摆框2上的振子磁铁6在上下摆动的同时，磁铁周围的磁场也随之运动，上部线圈8和下部线圈10在磁场中切割磁感线并产生感应电流，电流通过导线引出。

参见图4，忽略线圈中感生电流产生磁场对摆框2末端振子磁铁6的微小作用力以及重力影响，当摆框2摆动到上方某一特定位置时，弹簧片5为摆框2提供的弹性回复力在转轴3处产生的转动力矩大小为M，机壳1右侧内壁上的定磁铁7对摆框2末端振子磁铁6的磁斥力大小为F,转轴中心点到磁斥力F作用线的距离为d，此时恰好满足M＝F·d，即弹簧片5为摆框2提供的弹性回复力和磁铁的斥力在转轴3处产生的转动力矩相互平衡，因此这一位置是摆框2的一个稳态位置。同理，在下方相应位置处，存在另一稳态位置，使得摆框2受力平衡。在外界振动激励的作用下，摆框2产生双稳态的振动，显著增大了摆框2的摆动幅度，增大了系统带宽，增加了弹簧片5以及压电元件9的变形量。与单稳态的悬臂梁结构相比，在相同的外部振动激励作用下，本发明的摆框2振动幅值可达到悬臂梁振动幅值的1.6倍以上，压电元件的开路输出电压至少是悬臂梁结构的2倍。与此同时，摆框2和振子磁铁6振幅的增大也提高了上部线圈8和下部线圈10的磁通量变化率，从而大幅提高能量收集效率。

实施例2

参见图5、图6和图7，本实施例中，与定磁铁7相邻的机壳1内侧顶部安装有三个上部线圈8，内侧底部安装有三个下部线圈10；摆框2的另一端安装有三个柱状的振子磁铁6；三个振子磁铁6的两端分别对应着三个上部线圈8和三个下部线圈10。其他结构同实施例1，工作原理同实施例1。

本实施例使用了三个振子磁铁6、三个上部线圈8和三个下部线圈10，可大幅提高线圈的电磁发电量；另一方面，由于振子磁铁6的数量增加到了三个，因此摆框2末端受到的磁铁斥力之和也会加倍。与实施例1相比，摆框2振动过程中的上部稳态位置会上移，下部稳态位置会下移，上下两个稳态位置的距离变大，因而摆框2会产生更大的幅度的双稳态振动，弹簧片5和压电元件9也能产生更大的变形量，同时又提高了上部线圈8和下部线圈10的磁通量变化率，能量收集效率得到了进一步提高。

本发明装置可用于机械结构、建筑结构等的振动能量收集。作为一种电磁压电复合能量收集装置，本发明同时运用了电磁感应现象和压电效应两种发电原理进行工作，空间结构利用率更高，能够有效地收集环境中的振动能，可不消耗任何化石能源为低功耗的微型传感器等微电子元器件采能和供电，是一种环境友好型能量收集装置。