[发明专利]一种磁力耦合压电电磁复合俘能器及其俘能方法

说明书

本发明公开了一种磁力耦合压电电磁复合俘能器及其俘能方法。传统悬臂梁结构的压电俘能器无法承受高载荷；铙钹形结构可承受高载，但低频环境下发电效率低。本发明在低频外界压力驱动时，悬浮磁铁垫片产生形变，带动平动磁铁往下运动；转动磁铁受平动磁铁的磁力作用形成周向分布的势能多稳态；扰动磁铁调节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高频转动，此为一次升频；压电悬臂梁在转子轴带动下与拨齿碰撞后高频振动，实现二次升频转换，利用压电效应发电；通过两次升频后，压电悬臂梁与拨齿的碰撞力增强，碰撞间隔时间缩短，收集更多摆动能，提高输出功率，拓宽有效俘能频带。

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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及其俘能方法。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明一种磁力耦合压电电磁复合俘能器，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°。

该磁力耦合压电电磁复合俘能器的俘能方法，具体如下：