一种电磁-压电复合式换能器的制作方法

本发明涉及一种振动能量采集装置，具体涉及一种电磁-压电复合式换能器。

背景技术：

为了适应社会发展，需要更多的可再生、清洁能源。自然环境中，太阳能、风能、热能、潮汐能和振动能等都是清洁可再生能源，其中机械振动能量无处不在，不受天气、温差等自然条件限制，因此应用前景广阔。随着微功耗技术的进步，微电子器件的耗电量已经减少到微瓦量级。采集振动能量为低功耗电子设备供电成为可能，有望采集人体运动时的振动能量为穿戴式低功耗电子设备供电。

单一机电转换机制的能量采集装置存在转换效率有限，可扩展性较差。

由于压电转换机制的输出电特性为：输出电压较高，输出电流较小，同时输出阻抗为容性。而电磁转换机制的输出电特性为：输出电压较低，输出电流较大，同时输出阻抗为感性。当振动能转换为电能时，对电能提取接口电路的设计有一定难度。为了避免此问题，大多数文献中采用分别对压电转换机制和电磁转换机制进行电能提取。因此国内外许多学者开始开展复合式振动能量采集器的研究。

技术实现要素：

为了解决背景技术提出的问题，本发明的目的是提供一种电磁-压电复合式换能器。它提高了能量采集器的转换效率，同等振动的条件下，具有更高的输出电压，能够为供电设备提供更加充沛的电源。

本发明提供一种电磁-压电复合式换能器，包括底座支架、长方体永磁体、压电片、圆柱体永磁体、感应线圈、e形导磁材料。

所述底座支架为轴对称结构，长方体永磁体放置在所述底座支架的中心凹槽处，压电片平放于所述长方体永磁体的上表面，使压电片的长度方向与长方体永磁体的长度方向一致，圆柱体永磁体的圆柱曲面布置在所述压电片上方，e形导磁材料为2个，布置在圆柱体永磁体两侧，并关于所述永磁圆柱体中心轴对称，所述e形导磁材料上均绕设有感应圈，两侧的e形导磁材料至圆柱体永磁体的距离相同；

长方体永磁体充磁方向为x轴正方向，圆柱体永磁体充磁方向为x轴负方向；

或者长方体永磁体充磁方向为x轴负方向，圆柱体永磁体充磁方向为x正负方向，

在外界振动条件下，圆柱体永磁体能沿着压电片的长度方向来回的滚动。

进一步地是，初始状态时，由于长方体永磁体与圆柱体永磁的相互吸引，所述圆柱体永磁体静止在所述压电片中心位置。

进一步地技术方案是，长方体永磁体固定在所述底座支架地下内表面中心凹槽处。

进一步地技术方案是，将压电片平放在所述长方体永磁体上表面，压电片的宽度与长方体永磁体的宽度相同。所述底座支架中心凹槽用于在x轴、y轴方向固定压电片，当压电片受到压力时可以在z轴正向产生位移。

压电片分为上金属基片、ptz压电陶瓷和下金属基片，pzt压电陶瓷和金属基片用导电胶紧密粘贴。

进一步的是，圆柱体永磁体静止在所述压电片上时，圆柱体永磁体的厚度和所述压电片的宽度相同，压电片位于所述圆柱体永磁体和所述长方体永磁体的中间位置，在磁力的作用下压电片将会发生压电效应，产生感应电压。

进一步的是，e形导磁材料为导磁率较高的软磁材料，用以疏导所述长方体永磁体和圆柱体永磁体两侧的磁通，从而增加通过感应线圈的磁通量。

进一步的是，所述感应线圈绕制在所述e形导磁材料的中心轴上，用以增加输出感应电压。

进一步的是，所述底座支架采用绝缘材料制成，所选材料须具有支撑作用。优选的是，底座支架的材料可选用下述材料：尼龙、亚克力和聚四氟乙烯。

优选的是上/下金属片采用导电但不导磁的材料，优选的是铜、铝，或者选用具有导电能力的半导体材料。

优选的是，软磁材料采用工程纯铁、导磁不锈钢和硅钢片等等，如果条件允许，也可以选择相对昂贵的超导材料。

优选的是，所述感应线圈采用自粘线圈，感应线圈绕制外径与所述圆柱体永磁体半径相同，感应线圈绕制内径与所述导磁材料的边缘内接。

本发明的有益效果：

本发明在永磁体两侧添加e形导磁材料，将感应线圈绕制在e形导磁材料上，增加了通过感应线圈的磁通，产生了更大的输出电压，因此输出功率密度更大，能稳定的为设备供电，在相同环境下添加导磁材料比未添加导磁材料输出的电压峰值高3v左右，如图1所示。

同时，本发明结合了电磁和压电换能机制，利用电磁和压电换能机制的结合实现了振动能量收集的更大化。同时，电磁-压电复合式换能器的工作频带比单一转换机制的工作频带更宽，更有利于适应人体的振动频率。

结合后地换能器与传统地单个压电式能量采集器与单个电磁式能量采集器结合之后相比，能量转化率提高(在相同振动条件下，复合式转换器输出电能在理论上是远远大于单一转换器输出电能)。

附图说明

图1为本发明有无硅钢片输出的对比图；

图2(a)、图2(b)为本发明的总体结构示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)为本发明的结构三视图；

图4为本发明的装置受力图；

图5是本发明中的导磁材料和感应线圈局部结构示意图；

图6是本发明的压电材料局部结构示意图；

图7是本发明装置的能量采集电路图；

图8是本发明装置的输出电压图。

图中：1-底座支架、2-长方体永磁体、3-压电片；

31-上金属基片、32-pzt压电陶瓷、33-下金属基片；

4-圆柱体永磁体、5-感应线圈、6-e形导磁材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2(a)、图2(b)所示，本发明的一种电磁-压电复合式换能器，包括底座支架1、长方体永磁体2、压电片3、圆柱体永磁体4、感应线圈5、e形导磁材料6。

所述的底座支架1为轴对称结构，底座支架1关于xoz平面和yoz平面对称，是一面可拆卸的封闭箱体，箱体底部y轴方向有两块隔板，两块隔板的间隙与长方形永磁体的宽度相同。在y轴方向的两块隔板中间，沿x轴方向放置了两块隔板，形成一个凹槽，两块隔板的间隙与长方体永磁体的宽度相同。在底座支架1底部中心形成一个凹槽用以固定长方体永磁体2和压电片3。长方体永磁体2放置在底座支架1中心凹槽处，压电片3平放于所述长方体永磁体2的上表面，使压电片3的长度方向与长方体永磁体2的长度方向一致，圆柱体永磁体4的圆柱曲面布置在所述压电片3上方，外界振动条件下，能使圆柱体永磁体4沿着压电片3的长度方向来回的滚动。(初始状态时，由于长方体永磁体2与圆柱体永磁体4的相互吸引，所述圆柱体永磁体4静止在所述压电片3中心位置。)，e形导磁材料6为2个，布置在圆柱体永磁体4两侧，并关于所述永磁圆柱体4中心轴对称，所述e形导磁材料6上均绕设有感应圈5，两侧的e形导磁材料6至圆柱体永磁体4的距离相同(e形导磁材料6下底面分别安装在底座支架1底部的两个隔板与箱体壁分别形成的左右凹槽(左右凹槽为箱体底部y轴方向的两块隔板与箱体两侧面形成的凹槽)中，e形导磁材料6上顶面与底座支架1箱体的上顶面平齐)。

为了保证电磁输出具有良好的电动势，e形导磁材料6距离圆柱体永磁体4和长方体永磁体4的距离相同，范围为2-8mm。

优选的是，两侧的e形导磁材料6至圆柱体永磁体4的距离均为2-3mm。

如图2(a)、图2(b)、图3(a)-图3(c)所示，所述底座支架采用绝缘材料制成，用以固定和保护换能装置，底座支架的材料选择具有支撑作用，如尼龙、亚克力和聚四氟乙烯。

所述长方体永磁体2的长、宽、高分别为25-100mm，5-15mm，2-10mm，如图2(a)、图2(b)、图3(a)-图3(c)所示，充磁方向为x轴正方向。

所述压电片3的长、宽、高分别为25-100mm、5-15mm、1-2mm。

所述圆柱体永磁体4的直径和厚度分别为5-50mm、5-15mm，如图2(a)、图2(b)、图3(a)-图3(c)所示，充磁方向为x轴负方向。

外界振动条件下，当受力方向与圆柱体永磁体运动方向一致时，如图4，圆柱体永磁体4将在压电片3表面(y轴方向)来回往复运动。

如图2(a)、图2(b)、图3(c)所示，压电片3位于长方体永磁体2和圆柱体永磁体4的中间，在z轴方向上的磁力作用下(和重力)，压电片3将会发生压电效应，产生感应电压。

图4所示为所述压电片和所述圆柱体永磁体的受力图，由图可知，所所述压电片3和所述圆柱体永磁体4在x轴受力几乎为零，所以在x轴上不会发生位移；所述圆柱体永磁体4在y轴上受力近似线性，所述圆柱体永磁体4会在y轴来回运动；由于所述圆柱体永磁体4重力的影响所述压电片3在z轴的受力大于所述圆柱体永磁体4的受力，有利于所述压电片3产生电压。

如图5所示，所述e形导磁材料6为导磁率较高的软磁材料，在本实施例中，选用硅钢片。所述e形导磁材料用以疏导所述长方体永磁体和所述圆柱体永磁体两侧的磁通，从而增加通过线圈的磁通量。

如图5所示，所述感应线圈5绕制在所述e形导磁材料6的中心轴上，所述感应线圈5与所述e形导磁材料6的边缘内接，绕制的感应线圈5外径与所述圆柱体永磁体4半径相同。

如图6所示，所述压电片3包括上金属基片31、pzt压电陶瓷32、下金属基片33。

上金属基片31/下金属基片33采用导电但不导磁的材料，在本实施例中，采用铜片，厚度为0.1mm。

上金属基片31/下金属基片33的长度比所述pzt压电陶瓷32的长度略长，方便电能传输，也利于永磁圆柱体的运动。所述pzt压电陶瓷32和所述上金属基片31/下金属基片33用导电胶粘接，因此上金属基片31/下金属基片33用以导出所述pzt压电陶瓷32产生的电能。

当底座支架1为亚克力，长方体永磁体2和圆柱体永磁体4为钕铁硼，感应线圈5为铜，e形导磁材料6为硅钢片，压电换能机制的核心压电材料选用pzt压电陶瓷32，上金属基片31/下金属基片33为铜。

如图7所示，电磁-压电复合式换能器的输出端(输出端是指线圈的端头和金属基片的两端)和储能电路连接，存储转换的电能并对设备进行供电。所述储能电路主要包括整流电路、滤波电路。

本发明公开的一种电磁-压电复合式换能器的工作过程为：

如图2、3所示，电磁换能。在外界振动状态下，圆柱体永磁体4在y轴方向往复运动，通过感应线圈5的磁通发生变化，由法拉第电磁感应定律可知，感应线圈5中会产生感应电动势，输出感应电流。通过将线圈绕制在e形导磁材料6上增加了通过感应线圈5的磁通量，增大了单位时间内磁通的变化量，感应线圈连接储能电路。

对于压电换能。由于圆柱体永磁体4和长方体永磁体2充磁方向相反，所以圆柱体永磁体4能够被吸引在永磁长方体2上。压电片3位于圆柱体永磁体4和长方体永磁体2中间，在磁力的作用下pzt压电陶瓷32发生形变，内部发生极化，同时在相对表面产生相反的电荷。通过导电胶连接到铜片(金属基片)，输入到储能电路中，通过整流滤波，为便携式设备供电。

图8所示为线圈匝数为500匝，外加加速度为10m/s²，振动频率为14.2hz的电磁端和压电端的开路电压输出波形。与仅只有压电陶瓷和仅只有线圈切割磁力线时相比，复合式结构的输出电压有所提高。且大于两者同时刻相加时的输出电压。由此可见，此结构具有一定合理性，且此复合转换机制相比单一转换机制有更高的输出，对环境中同等能量的转换效率更高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。