一种磁力耦合压电电磁复合俘能器的制作方法

本实用新型涉及一种应用于低频振动环境下的能量收集装置，特别涉及一种应用于低频振动环境下可承高载的压电电磁复合俘能装置。

背景技术：

随着物联网的发展和便携式电子设备的普及，微电子产品(如无线传感器)的供能是一个大问题。目前大多数的微电子产品都是利用传统的电池提供电能，存在寿命短、常更换和不环保等问题，难以满足微电子产品高速发展的需求。环境中的能源有振动能、太阳能、风能、温差能、射频辐射能、噪声等。其中，振动能在日常生活和工程实际中广泛存在，不易受位置、天气等因素的影响，并且具有较高的能量密度，因此越来越多的学者和专家致力于研究将环境中的振动能俘获并转换成电能，作为一种替代能源为微电子产品供能。

根据能量转换原理不同，振动俘能器可分为压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式等类型。压电式和电磁式俘能器都具有较高的机电耦合系数、结构简单、容易加工，且都不需要外接电源等特点，将两种俘能机制结合，提出压电电磁复合俘能装置，可拓宽俘能频带，提高输出功率。

传统的悬臂梁结构的压电俘能器尽管俘能效率高，但是无法承受高载荷；铙钹形结构可承受高载，但其固有频率高，低频环境下发电效率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种既可以承受高载，同时在低频环境下高效发电的俘能器。

本实用新型解决技术问题采取的技术方案是：

本实用新型包括平动磁铁、悬浮磁铁垫片、定子、拨齿、转动磁铁、压电悬臂梁、深沟球轴承、转子、感应线圈和扰动磁铁。所述的定子包括一体成型的定盘和定子外壳，定盘设置在定子外壳内；悬浮磁铁垫片设有一体成型且沿周向均布的多片凸片；所述的凸片焊接在定子外壳上；悬浮磁铁垫片上固定有沿周向均布的n片平动磁铁，n≥4；所述的转子包括一体成型的转子轴和转盘；转子轴通过轴承支承在定盘上；转盘上固定有沿周向均布的n片转动磁铁；沿周向方向，每片转动磁铁与一片平动磁铁位置对应；转动磁铁与平动磁铁的磁极沿径向布置，且极性相同的磁极朝向一致；所述的转动磁铁和平动磁铁均呈扇环形，且同一横截面上，转动磁铁和平动磁铁的圆心均与转子轴的圆心重合；转子轴上固定有沿周向均布的n根压电悬臂梁；定子外壳内壁固定有沿周向均布的n个拨齿；拨齿相对转子轴的轴向位置与压电悬臂梁相对转子轴的轴向位置对应；转子轴径向方向上，拨齿与转子轴轴心的距离小于压电悬臂梁外端端面与转子轴轴心的距离；定盘上固定有沿周向均布的多个感应线圈；两块扰动磁铁均固定在定子外壳上；所述的扰动磁铁为半圆柱形，且弧面朝向转子轴设置；扰动磁铁的弧面磁极与转动磁铁或平动磁铁的相对端磁极相同。

所述扰动磁铁的两端端面与转动磁铁的两端端面分别平齐。

所述的悬浮磁垫片采用弹性材料。

所述的感应线圈呈平面螺旋状。

同一横截面上，在以转子轴中心为圆心的圆周上，两块扰动磁铁所夹的圆心角为120°。

本实用新型具有的有益效果：

本实用新型采用互斥磁铁以及压电悬臂梁与拨齿碰撞的形式将低频外界压力(特别是高载低频外界压力)转化为转动磁铁高频转动和压电梁高频振动，实现两次升频转换，利用压电效应和电磁感应将运动能转化为电能。转动磁铁受平动磁铁的磁力作用形成势能多稳态；当外界压力超过一定阈值时实现转子轴的高频大幅转动，压电悬臂梁与拨齿的碰撞力增强，碰撞时间间隔缩短，转动磁铁相对感应线圈转动速度提高，收集更多的振动能，提高输出功率，拓宽有效俘能频带。

附图说明

图1为本实用新型的半剖立体图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为本实用新型中压电悬臂梁与拨齿的初始位置示意图；

图4为本实用新型中平动磁铁、转动磁铁和扰动磁铁的位置关系图；

图5为本实用新型中感应线圈在定子上的装配示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

结合图1、图2、图3和图4，一种磁力耦合压电电磁复合俘能器，包括平动磁铁1、悬浮磁铁垫片2、定子、拨齿4、转动磁铁5、压电悬臂梁6、深沟球轴承7、转子、感应线圈9和扰动磁铁10。定子包括一体成型的定盘和定子外壳3，定盘设置在定子外壳3内；悬浮磁铁垫片2设有一体成型且沿周向均布的四片凸片；凸片焊接在定子外壳3上；悬浮磁垫片采用弹性材料，可承受高载荷；悬浮磁铁垫片2上固定有沿周向均布的六片平动磁铁1；转子包括一体成型的转子轴8和转盘；转子轴8通过深沟球轴承7支承在定盘上；转盘上固定有沿周向均布的六片转动磁铁5；沿周向方向，每片转动磁铁5与一片平动磁铁1位置对应；转动磁铁与平动磁铁的磁极沿径向布置，且极性相同的磁极朝向一致，彼此受相互排斥磁力作用；转动磁铁5和平动磁铁1均呈扇环形，且同一横截面上，扇环的圆心与转子轴8的圆心重合；转子轴8上固定有沿周向均布的六根压电悬臂梁6；定子外壳3内壁固定有沿周向均布的六个拨齿4；拨齿1相对转子轴8的轴向位置与压电悬臂梁6相对转子轴8的轴向位置对应；转子轴8径向方向上，拨齿4与转子轴8轴心的距离小于压电悬臂梁6外端端面与转子轴8轴心的距离；定盘上固定有沿周向均布的六个感应线圈9；两块扰动磁铁10均固定在定子外壳3上；扰动磁铁10为半圆柱形，且弧面朝向转子轴8设置；扰动磁铁10的弧面磁极与转动磁铁5或平动磁铁1的相对端磁极相同；扰动磁铁10的两端端面与转动磁铁5的两端端面分别平齐；同一横截面上，在以转子轴8中心为圆心的圆周上，两块扰动磁铁10所夹的圆心角为120°。

结合图5，本实用新型装置是微小元器件，传统的感应线圈是通过增加线圈的匝数来提高发电效率，这在本实用新型装置中不适用。本实用新型装置的感应线圈8呈平面螺旋状，增大线圈截面积，提高电磁感应发电效率。

该磁力耦合压电电磁复合俘能器的工作原理如下：

当受到频率为a(a<30Hz)的低频外界压力驱动时，悬浮磁铁垫片2产生形变，带动平动磁铁1往下运动。平动磁铁1与转动磁铁5之间的排斥磁力存在周向力和轴向力，轴向力用于支撑外界压力，周向力驱使转动磁铁5转动，转动磁铁5受平动磁铁1的磁力作用形成周向分布的势能多稳态；扰动磁铁10沿径向朝内的磁极与转动磁铁5或平动磁铁1的相对端磁极相同，扰动磁铁10用于调节转动磁铁5周向势能函数势阱分布和势垒高度，当外界压力超过克服势垒高度所需压力值时，转动磁铁在外界压力作用下可发生大幅高频(2a～10a Hz)转动，此为一次升频。转动磁铁转动时带动转子轴8转动。压电悬臂梁6在转子轴8的带动下高速转动，与拨齿4碰撞后高频(大于a Hz)振动，实现二次升频转换，利用压电效应发电。转动磁铁5和感应线圈9产生相对运动，利用法拉第电磁感应效应发电。通过两次升频后，压电悬臂梁6与拨齿4的碰撞力增强，碰撞间隔时间缩短，转动磁铁相对感应线圈转动速度提高，可收集更多的振动能，提高输出功率，拓宽有效俘能频带。