一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器

1.本实用新型涉及振动和能量采集领域，尤其涉及一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器。


背景技术：

2.近二十年来，随着无线传感器网络和微加工技术的发展，越来越多的低功耗无线传感器设备被利用在一些偏远、无人监管的区域，仅依靠传统电池供电，就会使得无线传感器设备由于需要定期更换电池而无法持续性正常工作。因此，取代传统化学电池和电源线为传感器供电的技术得到了广泛的关注。许多有振动的物体，比如汽车、火车、桥梁以及楼宇都有一定频率的振动，如果能将这些能量合理的收集起来，可以持续的为无线传感器节点供电。通常研究的能量采集器是对某一方向的振动激励响应而进行能量采集，而且采集能量方式比较单一，能量采集效率不高。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有的能量采集器所存在的不足，提出一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其具有响应频带宽，采集效率高，可以多自由度采集的特点，是一种具有实用价值的新型复合式振动能量采集器。为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
4.一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，由压电部分与电磁部分构成，压电部分从左至右别为底座、悬臂梁、压电片；电磁部分由上端盖、提升磁铁、外壳、两个抗磁体、两个线圈、两个保护膜、悬浮磁铁与下端盖由上到下依次排列。所述悬浮磁铁与提升磁铁充磁方向相同且为轴向。所述线圈、保护膜与抗磁体之间采用粘连的方式固定在一起。
5.进一步的，所述磁铁都采用n52牌号的钕铁硼磁铁。
6.进一步的，所述提升磁铁、抗磁体、悬浮磁铁、线圈与保护膜的中心轴线位于同一轴线上，悬浮磁铁和中间弹性膜位置位于同一水平面上。
7.进一步的，所述悬臂梁与外壳相连的一端为半圆形，外壳与悬臂梁配合位置处于位于上部抗磁体的上侧，内部为实体，外部开有半圆形槽与悬臂梁配合，配合后使用高分子粘合剂粘连。
8.进一步的，悬臂梁与压电片的变形方向主要为竖直方向，悬浮磁铁的主要受迫振动方向为水平方向。
9.进一步的，线圈大小与悬浮磁铁直径近似，线圈形状为多层盘状，感应线圈由导电性金属材料铜、铝或银制成，优选铜线圈，两线圈之间串联。
10.进一步的，所述外壳呈圆柱体。外壳采用非导磁材料制成，优选材料为塑料。
11.进一步的，所述压电片采用压电系数大的压电陶瓷材料。
12.本实用新型的有益效果为：
13.1.通过抗磁悬浮结构在电磁能量采集中的应用，进行超低频能量采集，并通过与
压电结构的结合，克服了抗磁悬浮结构竖直方向运动空间小、能量转换效率低的缺点。通过电磁压电复合结构进行振动能量的采集，可以拓宽振动频率采集范围。
14.2.通过底座安装在桥梁上，可以进行横向与纵向全方位振动能量的采集，有效的给桥梁健康监测传感器持续供电。
附图说明
15.图1为本实用新型提出的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器的装配体示意图。
16.图2为本实用新型提出的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器压电部分结构示意图。
17.图3为本实用新型提出的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器电磁部分结构示意图。
18.图中：1
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底座，2
‑
悬臂梁，3
‑
压电片，4
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上端盖，5
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提升磁铁，6
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外壳，7
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抗磁体，8
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线圈，9
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保护膜，10
‑
悬浮磁铁，11
‑
下端盖，601
‑
上端外壳，602
‑ꢀ
中间弹性膜，603
‑
下端外壳。
具体实施方式
19.已下结合本实用新型实施中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.具体实施方式如下：
21.如图1、图2和图3所示，一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，由压电部分与电磁部分构成，压电部分由底座(1)、悬臂梁(2)、压电片(3) 组成；电磁部分由上端盖(4)、提升磁铁(5)、外壳(6)、两个抗磁体(7)、两个线圈(8)、两个保护膜(9)、悬浮磁铁(18)与下端盖(11)组成。所述悬臂梁(2)插入并粘贴在底座(1)的夹片上，所述压电片(3)粘贴在悬臂梁 (2)上，所述线圈(8)、保护膜(9)与抗磁体(7)之间采用粘连的方式固定在一起，所述提升磁铁(5)过盈配合与上端盖(4)上，所述两个抗磁体(7) 分别过盈配合与外壳(6)内部与下端盖(11)上，所述悬浮磁铁(18)在提升磁铁(5)与抗磁体(7)的共同作用下悬浮在两个保护膜(9)之间，所述电磁部分的外壳(6)配合粘贴于悬臂梁(2)的自由端。
22.当底座(1)固定于存在多方向振动的振动源时，水平方向的振动会使悬臂梁(2)带动外壳(6)振动，内部的悬浮磁铁(10)由于提升磁铁(5)与抗磁体(7)对它的作用力相当于磁弹簧，悬浮磁铁(10)在水平方向运动到极限位置会和中间弹性膜(602)发生接触，收到中间弹性膜(602)反方向的作用力，使悬浮磁铁(10)发生水平方向的受迫振动，从而使线圈(8)中磁通量发生变化，产生感应电动势进而产生感应电流；竖直方向的振动会使悬臂梁(2) 发生周期性形变，从而使压电片(3)发生形变，发生周期性振动，进而产生周期性的电压，这时电磁发电结构中的悬浮磁铁(10)由于受迫振动也会发生竖直方向的运动，由于竖直方向悬浮空间比较小，会周期性的与保护膜(9)进行碰撞，保护膜(9)就会对易碎的钕铁硼磁铁起到保护作用。通过能量管理电路对压电片(3)与线圈(8)产生的电能处理后给低功耗传感器供电。


技术特征：
1.一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其特征在于，包括底座(1)，底座(1)的上夹有悬臂梁(2)，悬臂梁(2)上粘贴有压电片(3)；悬臂梁(2)自由端通过高分子粘合剂固定有抗磁悬浮电磁发电结构的外壳(6)；外壳(6)由上端外壳(601)、中间弹性膜(602)与下端外壳(603)组成；所述外壳上端有上端盖(4)，上端盖(4)下部通过过盈配合固定有提升磁铁(5)，外壳(6)下部通过螺纹配合有下端盖(11)，外壳(6)内部和下端盖(11)上侧分别通过过盈配合固定有同尺寸圆柱形抗磁体(7)；两个抗磁体(7)外侧都粘贴有多层线圈(8)，两个线圈(8)外侧都粘贴有保护膜(9)，两个保护膜(9)之间有悬浮磁铁(10)，所述悬浮磁铁(10)在提升磁铁(5)与抗磁体(7)的共同作用下悬浮在两个保护膜(9)之间；所述外壳(6)的中间弹性膜(602)与悬浮磁铁(10)在同一水平面上。2.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其特征在于，悬臂梁(2)与外壳(6)相连的一端为半圆形，外壳(6)与悬臂梁(2)配合位置处于位于上部抗磁体(7)的上侧，内部为实体，外部开有半圆形槽与悬臂梁(2)配合。3.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其特征在于，提升磁铁(5)、抗磁体(7)、悬浮磁铁(10)与线圈(8)进行同轴布置，提升磁铁(5)与悬浮磁铁(10)都进行轴向磁化且磁化方向相同。4.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其特征在于，悬臂梁(2)与压电片(3)的变形方向主要为竖直方向，悬浮磁铁(10)的主要受迫振动方向为水平方向。5.根据权利要求1所述的一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，其特征在于，线圈(8)大小与悬浮磁铁(10)直径近似，线圈(8)形状为多层盘状，两线圈(8)之间串联。

技术总结
本实用新型公开了一种抗磁悬浮电磁压电复合式能量采集器，包括底座，所述底座上夹有悬臂梁，悬臂梁上粘贴有压电片；所述悬臂梁另一端配合粘贴有电磁发电装置外壳，外壳由上端外壳、中间弹性膜与下端外壳组成；所述外壳上端有上端盖，端盖内过盈配合有圆柱形提升磁铁；外壳内固定有抗磁体，抗磁体下部粘贴有线圈，线圈下侧粘贴有保护膜；所述外壳下端螺纹配合有下端盖，下端盖内过盈配合有圆柱形抗磁体，抗磁体上面同样粘贴有线圈与保护膜；所述两个抗磁体之间有圆柱形悬浮磁铁，悬浮磁铁在提升磁铁与抗磁体的共同作用下稳定悬浮在两个抗磁体之间。本实用新型能够进行多方向、低频振动能量的采集，通过电磁与压电的耦合拓宽能量采集的频带，可固定于桥梁上对桥梁的振动进行采集，给桥梁健康监测传感器进行长期供电。电。电。


技术研发人员：程书晗 苏宇锋 李翔宇
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/11/21