[发明专利]一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及一种采用旋转摆式结构的压磁/压电宽频振动能量采集装置。

背景技术

振动是环境中普遍存在的一种现象，广泛存在于桥梁、楼宇、船舶、车辆、机床、家用电器（冰箱、洗衣机、微波炉）等各种生产生活设备中，也存在于人体的血液流动、心脏跳动、肢体运动等生命过程中。如果将环境中的振动转化为电能，为无线网络、嵌入式系统等低功耗设备供电，有着非常广泛的应用前景。

环境中的振动通常不是单一频率的振动，它的频率成分常分布在一个较宽的频带内。为了从环境振动中获取更多的能量、增大振动能量采集器的应用范围，有必要研发出具有宽频特性的振动能量采集器。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号：201010300986.6，名称为：压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器，该发明提出了采用双稳态梁与压电超磁致伸缩复合换能器实现宽频振动能量采集的方法。该发明中，双稳态梁的下表面固定有一永磁铁，双稳态梁在一定的振动加速度条件下，会在其两个稳态位置间切换。切换时，永磁铁与压电超磁致伸缩复合换能器距离改变，引起压电超磁致伸缩复合换能器感应到的磁场发生改变，使压电超磁致伸缩复合换能器产生电能输出。该发明虽然能够实现宽频能量采集，但需要外界振动加速度大到能克服双稳态梁稳态位置转换所需的临界力时，振动能量采集器才能工作，限制了其应用范围。

另外还可利用具有不同谐振频率的悬臂梁阵列展宽振动能量采集器的频带，如中国发明专利201010207427.0、201010601354.3。这种方式可获得较宽的频带，但在每一振动频率下，只有一个梁发生谐振，其它非谐振梁输出的功率微乎其微，因此这种方式会增大采集器的体积，降低振动能量采集器的输出功率密度。

磁致伸缩是指在交变磁场作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动，或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换成电能。而压电材料受到压力作用时，也会产生电能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使压磁/压电换能元件能在宽频振动环境中获得较大输出功率，扩大振动能量采集器的使用范围，解决传统的压电能量采集器采集频带窄，输出功率低的一种能量采集器。

为实现上述目的，本发明技术方案为：设计一门式框，框的左支撑板的上端开有孔，孔内装有轴承，轴承内装有一悬臂梁，悬臂梁伸出的一端依次穿进一旋转式偏心摆的摆动孔，再伸出的端部与一压磁/压电换能器固定连接，所述的压磁/压电换能器嵌设在一对永磁体组成的气隙中，连接永磁体的衔铁固定在门式框的右支撑板上，或由轴承支持的悬臂梁伸出的一端与一对永磁体的固定板连接，一压磁/压电换能器嵌设在永磁体所形成的气隙中，压磁/压电换能器的中心轴固定在门式框的左支撑板上。

所述的压磁/压电换能器由一层磁致伸缩材料与一层压电材料粘接而成，或者由多层磁致伸缩材料与多层压电材料交错叠放粘接而成，多层压电材料间采用串联或并联连接。

所述的压磁/压电换能器采用圆形片状结构，其中磁致伸缩层的磁化方向沿其一直径方向，压电层的极化方向与磁致伸缩层的磁化方向相同，或者压电层的极化方向采用厚度方向。

所述的永磁体磁路采用单个磁铁加上衔铁构成；或者采用两个磁铁及衔铁构成，其中两个磁铁相对面的极性相反，增强永磁体磁路中的磁感应强度。

采用上述方案，可知旋转摆式压磁/压电宽频振动能量采集器由两种结构组成，当旋转摆可由一单独的偏心摆构成时，将压磁/压电换能器或永磁体磁路中一个固定在偏心摆上，另一个固定在框体的另一支撑板上；而当旋转摆由永磁体磁路上添加质量块构成偏心摆式结构时，应将压磁/压电换能器固定在框体的另一支撑板上。当能量采集器处于振动环境中时，旋转摆感应环境中的振动，产生来回的摆动或旋转运动。在旋转摆带动作用下，使压磁/压电换能器与永磁体磁路产生相对地转动。在相对转动过程中，压磁/压电换能器感应到变化的磁场，在变化磁场的作用下，换能器中的磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层，产生电能输出，实现机械能到电能的转换。