一种基于导磁材料的压电‑电磁复合式振动能量俘获装置的制作方法

本发明涉及新能源技术领域，特别是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置。

背景技术：

信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。因此寻找可替代能源成为当今研究的热点。其中可行的方法是从周围环境振动中俘获能量。在我们生活环境的周围，存在着各种各样的废弃的能量，例如太阳能、压力能、机械振动能等。太阳能和压力能虽然其能量密度比较高，但是由于其能量采集和供给技术的限制很难被广泛的应用到生活中。

比较上述能量采集方法，压电材料具有能耗低，易于微型化等特点，压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，因此压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。但目前现有压电振动发电装置还存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置，本发明的压电发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动能量回收。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置，包括基座、悬臂梁、压电片、三个空心的永磁体、铁芯、磁轭和感应线圈；其中，

压电片设置在悬臂梁的上表面，铁芯的一端固定在悬臂梁的末端，三个空心的永磁体平行安插固定在铁芯上；磁轭内部有两组平行的磁齿，感应线圈放置在两组磁齿之间，磁轭底端固定在基座上；永磁体位于磁轭的正上方。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，三个空心的永磁体为圆环型永磁体，充磁方式为内圆辐射充磁，相邻永磁体充磁方向相异。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，三个空心的永磁体的尺寸均相同，且每个永磁体的厚度与相邻永磁体的间距相等。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，所述铁芯为圆柱型导磁材料，其直径与圆环型永磁体的内径相同。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，所述磁轭为空心圆柱型导磁材料，磁齿为环型磁齿。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，两组环型磁齿的尺寸相等，且环型磁齿的厚度与这两组环型磁齿间的间距相等。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，所述环型磁齿的厚度与圆环型永磁体的厚度相等。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，圆环型永磁体直径小于环型磁齿的直径。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，所述压电片与悬臂梁的尺寸相同，压电片是通过导电胶粘在悬臂梁的上表面。

作为本发明所述的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置进一步优化方案，铁芯为圆柱型铁芯，压电片为压电陶瓷。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明装置中悬臂梁末端悬挂的铁芯为相对磁导率很高的导磁材料，三组内圆辐射充磁的圆环型永磁体平行安插在永磁体上，且充磁方向相反，三组圆环型永磁体产生的磁力线在铁芯中形成通路，不易扩散到空气中而造成浪费，使得电磁能量能俘获的更多；另外，铁芯与三组圆环型永磁体作为一个整体，对于压电悬臂梁而言相当于末端添加的质量块，能有效降低悬臂梁的谐振频率，使其低频适用性会更好；

(2)圆柱型磁轭中有两组平行的磁齿，圆环型磁齿厚度、磁齿间距与圆环型永磁体厚度、永磁体间距相同，可通过振动环境中振动的幅值来调整它们的厚度，使得感应线圈中的磁通量变化量达到最大，极大的提高了电磁俘获能力；

(3)压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。

附图说明

图1是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的压电悬臂梁、铁芯与圆环型永磁体结构图。

图2是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的压电悬臂梁、铁芯与圆环型永磁体正视图。

图3a是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的内圆辐射充磁圆环型永磁体的结构图。

图3b是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的内圆辐射充磁圆环型永磁体的俯视图。

图4是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的空心圆柱型带磁齿磁轭与线圈的结构图。

图5是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的空心圆柱型带磁齿磁轭与线圈的剖视图。

图6a、图6b、图6c是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的悬臂梁末端振子与磁轭3种位置关系图。

图7是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的整体结构图。

图中的附图标记解释为：a、b、c均为圆环型永磁体，d和e是圆环型磁齿，1是压电陶瓷，2是悬臂梁，3是铁芯，4、5和6均为圆环型永磁体，7和9分别为磁轭内部两组圆环型磁齿，8是感应线圈，10为空心圆柱型磁轭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1、图2所示，带末端质量的压电悬臂梁包括：

悬臂梁的左端固定与环境中，其表面上设有压电片，压电片可为压电陶瓷1；圆柱型铁芯为相对磁导率高的导磁材料，其上端被固定在悬臂梁2的末端；三组平行的圆环型永磁体a、b和c为充磁方式为内圆辐射充磁，且b与a和c的充磁方向相反(b外环为n极，a和c外环为s极，或者均为相反极性)；a、b和c的尺寸相同，且厚度与它们的间距相等，被安插固定在铁芯3上；铁芯的直径与圆环型永磁体的内径相等，三组圆环型永磁体4、5、6的厚度一样且与相邻永磁体之间的间距相等。可通过环境中的振动幅值调整它们的厚度，使得能俘获更多的电磁能量。

如图3a、图3b、图4，图5所示，带磁齿磁轭与感应线圈的结构包括：

空心圆柱型磁轭由相对磁导率高的导磁材料制成，磁轭内部有两组平行的圆环型磁齿d和e，磁齿是磁轭的组成部分；两组圆环型磁齿的尺寸相同，磁齿的厚度与两组磁齿间的间隔距离相等，且与圆环型永磁体的厚度相等；两组磁齿之间设置有感应线圈，用于俘获电磁能量；可通过环境中振动的幅值调整它们的厚度数值，使得线圈中的磁通量变化量达到最大，以提高电磁俘获能力。

外界环境产生振动激励时，圆环型永磁体振子与磁轭之间发生相对运动，振子与齿状磁轭之间的空隙发生周期性变化，线圈中磁感应强度也随之不断变化，从而在线圈中产生电动势。下面根据该图详细分析初始结构的磁路变化及振动能量收集装置的工作原理。

图7是一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的整体结构图。本发明包括：

1和2分别为压电陶瓷和悬臂梁，压电片通过导电胶粘贴悬臂梁上，其几何形状与悬臂梁相同；3为导磁材料制作的铁芯，圆环型永磁体4、5和6为内圆辐射充磁且中间的圆环型永磁体与上下相邻圆环型永磁体充磁方向相反。其中，磁轭内部两组圆环型磁齿7和9分别为磁轭内部两组圆环型磁齿，8是感应线圈，10为空心圆柱型磁轭，磁轭为高磁导率导磁材料制成。

本发明提供的一种基于导磁材料的压电-电磁复合式振动能量俘获装置的工作过程如下：

压电能量收集部分：

当压电-电磁能量收集装置放置在振动环境中时，由于压电片是具有压电效应的压电材料，当压电片产生形变时会引起压电片表面的带电粒子偏离平衡位置，进而压电片的上下表面就会产生电势差。同时悬臂梁末端悬挂的铁芯与永磁体作为一个整体，对于压电悬臂梁相当于施加了一个质量块，能有效降低悬臂梁的谐振频率，使其低频适用性更好。

电磁能量收集部分：

首先根据环境中振动的幅值来调整圆环型永磁体厚度、永磁体间距、圆环型磁齿厚度及磁齿间距的数值，使环境振动幅值与这些数值相同。图6a、图6b、图6c是振子与磁轭3种位置关系图。下面根据该图详细分析初始结构的磁路变化及振动电磁能量收集部分的工作原理。

图6a为位置1：永磁体b与磁轭上磁齿d对齐，永磁体c与磁轭下磁齿对齐，所谓对齐是指永磁体振子与磁齿中心点在同一水平线上，两者相对的面积相等。磁力线从永磁体c的n极出发，经过圆柱型磁轭、永磁体b、铁芯、回到永磁体c的s极，形成闭合磁路。此时，线圈中磁感应强度为最大值。

图6b为位置2：衔铁与左、右磁轭上磁齿对应面积相等。此时，全部磁路不经过磁轭，磁轭中磁感应强度为最小值。

图6c为位置3：永磁体a与磁轭上磁齿对齐，永磁体b与磁轭下磁齿对齐，磁力线由永磁体a的n极出发，经圆柱型磁轭、永磁体b、铁芯、回到永磁体a的s极。此时，铁芯中磁感应强度重新回到最大值，但方向与位置1时相反。

悬臂梁末端振子从位置1向位置2运动的过程中，磁轭中经过的磁力线越来越少，线圈中的磁通量逐渐减少，到达位置2时达到最小值；从位置2向位置3运动的过程中，磁轭中经过的磁力线越来越多，线圈中的磁通量逐渐增多，到达位置3时达到最大值。振子从位置1向上移动2个磁齿高度，磁通量完成一个周期变化。线圈截面积固定不变，根据电磁感应定律，线圈中产生的感应电动势可以表示为：

式中，n指线圈匝数；指穿过单匝线圈的磁通量；s指线圈截面积；b指线圈中磁感应强度，t为时间。

综上所述，本发明中的压电-电磁复合式振动能量采集装置，首先，其悬臂梁末端悬挂的铁芯为相对磁导率很高的圆柱型导磁材料，三组内圆辐射充磁的圆环型永磁体的尺寸完全相同，均被平行安插在铁芯上，三组永磁体均为内圆辐射充磁的永磁材料，且中间永磁体的充磁方向与其相邻圆环型永磁体的充磁方向相反，三组圆环型永磁体产生的磁力线在铁芯中形成通路，不易扩散到空气中而造成浪费，使得电磁能量能俘获的更多；其次，圆柱型磁轭中有两组平行的圆环型磁齿，圆环型磁齿厚度、磁齿间距与三组圆环型永磁体厚度、永磁体间距相同，可通过调整它们的厚度使其与环境中振动的幅值相等，使得感应线圈中的磁通量变化量达到最大，极大的提高了电磁俘获能力；最后，铁芯与三组圆环型永磁体作为一个整体，对于压电悬臂梁而言相当于末端添加的质量块，能有效降低悬臂梁的谐振频率，使其低频适用性会更好；压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。