本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置。

背景技術(shù)：

信息技術(shù)的飛速發(fā)展并沒有帶動(dòng)電源技術(shù)的快速發(fā)展，電源的能量密度沒有明顯的提高。雖然化學(xué)能電池因使用方便而被廣泛使用，但環(huán)境污染、回收困難、浪費(fèi)材料等問題也日益突出。因此尋找可替代能源成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。其中可行的方法是從周圍環(huán)境振動(dòng)中俘獲能量。在我們生活環(huán)境的周圍，存在著各種各樣的廢棄的能量，例如太陽能、壓力能、機(jī)械振動(dòng)能等。太陽能和壓力能雖然其能量密度比較高，但是由于其能量采集和供給技術(shù)的限制很難被廣泛的應(yīng)用到生活中。

比較上述能量采集方法，壓電材料具有能耗低，易于微型化等特點(diǎn)，壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電機(jī)是一種持久、清潔、免維護(hù)的新型發(fā)電裝置，因此壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)的研究已得到廣泛重視,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自供電方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。但目前現(xiàn)有壓電振動(dòng)發(fā)電裝置還存在環(huán)境適應(yīng)性差、發(fā)電效率低、低頻適應(yīng)性差、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)電量小的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置，本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置能夠更適應(yīng)環(huán)境中隨機(jī)、寬帶、低頻、大振幅以及高強(qiáng)度振動(dòng)能量回收。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置，包括基座、懸臂梁、壓電片、三個(gè)空心的永磁體、鐵芯、磁軛和感應(yīng)線圈；其中，

壓電片設(shè)置在懸臂梁的上表面，鐵芯的一端固定在懸臂梁的末端，三個(gè)空心的永磁體平行安插固定在鐵芯上；磁軛內(nèi)部有兩組平行的磁齒，感應(yīng)線圈放置在兩組磁齒之間，磁軛底端固定在基座上；永磁體位于磁軛的正上方。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，三個(gè)空心的永磁體為圓環(huán)型永磁體，充磁方式為內(nèi)圓輻射充磁，相鄰永磁體充磁方向相異。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，三個(gè)空心的永磁體的尺寸均相同，且每個(gè)永磁體的厚度與相鄰永磁體的間距相等。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述鐵芯為圓柱型導(dǎo)磁材料，其直徑與圓環(huán)型永磁體的內(nèi)徑相同。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述磁軛為空心圓柱型導(dǎo)磁材料，磁齒為環(huán)型磁齒。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，兩組環(huán)型磁齒的尺寸相等，且環(huán)型磁齒的厚度與這兩組環(huán)型磁齒間的間距相等。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述環(huán)型磁齒的厚度與圓環(huán)型永磁體的厚度相等。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，圓環(huán)型永磁體直徑小于環(huán)型磁齒的直徑。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述壓電片與懸臂梁的尺寸相同，壓電片是通過導(dǎo)電膠粘在懸臂梁的上表面。

作為本發(fā)明所述的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置進(jìn)一步優(yōu)化方案，鐵芯為圓柱型鐵芯，壓電片為壓電陶瓷。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明裝置中懸臂梁末端懸掛的鐵芯為相對(duì)磁導(dǎo)率很高的導(dǎo)磁材料，三組內(nèi)圓輻射充磁的圓環(huán)型永磁體平行安插在永磁體上，且充磁方向相反，三組圓環(huán)型永磁體產(chǎn)生的磁力線在鐵芯中形成通路，不易擴(kuò)散到空氣中而造成浪費(fèi)，使得電磁能量能俘獲的更多；另外，鐵芯與三組圓環(huán)型永磁體作為一個(gè)整體，對(duì)于壓電懸臂梁而言相當(dāng)于末端添加的質(zhì)量塊，能有效降低懸臂梁的諧振頻率，使其低頻適用性會(huì)更好；

(2)圓柱型磁軛中有兩組平行的磁齒，圓環(huán)型磁齒厚度、磁齒間距與圓環(huán)型永磁體厚度、永磁體間距相同，可通過振動(dòng)環(huán)境中振動(dòng)的幅值來調(diào)整它們的厚度，使得感應(yīng)線圈中的磁通量變化量達(dá)到最大，極大的提高了電磁俘獲能力；

(3)壓電和電磁的耦合作用，彌補(bǔ)了壓電裝置的輸出電流小和電磁裝置的輸出電壓小的缺點(diǎn)，使其輸出電壓較高，電流較大。

附圖說明

圖1是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的壓電懸臂梁、鐵芯與圓環(huán)型永磁體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的壓電懸臂梁、鐵芯與圓環(huán)型永磁體正視圖。

圖3a是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的內(nèi)圓輻射充磁圓環(huán)型永磁體的結(jié)構(gòu)圖。

圖3b是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的內(nèi)圓輻射充磁圓環(huán)型永磁體的俯視圖。

圖4是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的空心圓柱型帶磁齒磁軛與線圈的結(jié)構(gòu)圖。

圖5是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的空心圓柱型帶磁齒磁軛與線圈的剖視圖。

圖6a、圖6b、圖6c是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的懸臂梁末端振子與磁軛3種位置關(guān)系圖。

圖7是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖中的附圖標(biāo)記解釋為：a、b、c均為圓環(huán)型永磁體，d和e是圓環(huán)型磁齒，1是壓電陶瓷，2是懸臂梁，3是鐵芯，4、5和6均為圓環(huán)型永磁體，7和9分別為磁軛內(nèi)部?jī)山M圓環(huán)型磁齒，8是感應(yīng)線圈，10為空心圓柱型磁軛。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1、圖2所示，帶末端質(zhì)量的壓電懸臂梁包括：

懸臂梁的左端固定與環(huán)境中，其表面上設(shè)有壓電片，壓電片可為壓電陶瓷1；圓柱型鐵芯為相對(duì)磁導(dǎo)率高的導(dǎo)磁材料，其上端被固定在懸臂梁2的末端；三組平行的圓環(huán)型永磁體a、b和c為充磁方式為內(nèi)圓輻射充磁，且b與a和c的充磁方向相反(b外環(huán)為n極，a和c外環(huán)為s極，或者均為相反極性)；a、b和c的尺寸相同，且厚度與它們的間距相等，被安插固定在鐵芯3上；鐵芯的直徑與圓環(huán)型永磁體的內(nèi)徑相等，三組圓環(huán)型永磁體4、5、6的厚度一樣且與相鄰永磁體之間的間距相等。可通過環(huán)境中的振動(dòng)幅值調(diào)整它們的厚度，使得能俘獲更多的電磁能量。

如圖3a、圖3b、圖4，圖5所示，帶磁齒磁軛與感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)包括：

空心圓柱型磁軛由相對(duì)磁導(dǎo)率高的導(dǎo)磁材料制成，磁軛內(nèi)部有兩組平行的圓環(huán)型磁齒d和e，磁齒是磁軛的組成部分；兩組圓環(huán)型磁齒的尺寸相同，磁齒的厚度與兩組磁齒間的間隔距離相等，且與圓環(huán)型永磁體的厚度相等；兩組磁齒之間設(shè)置有感應(yīng)線圈，用于俘獲電磁能量；可通過環(huán)境中振動(dòng)的幅值調(diào)整它們的厚度數(shù)值，使得線圈中的磁通量變化量達(dá)到最大，以提高電磁俘獲能力。

外界環(huán)境產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，圓環(huán)型永磁體振子與磁軛之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，振子與齒狀磁軛之間的空隙發(fā)生周期性變化，線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之不斷變化，從而在線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。下面根據(jù)該圖詳細(xì)分析初始結(jié)構(gòu)的磁路變化及振動(dòng)能量收集裝置的工作原理。

圖7是一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明包括：

1和2分別為壓電陶瓷和懸臂梁，壓電片通過導(dǎo)電膠粘貼懸臂梁上，其幾何形狀與懸臂梁相同；3為導(dǎo)磁材料制作的鐵芯，圓環(huán)型永磁體4、5和6為內(nèi)圓輻射充磁且中間的圓環(huán)型永磁體與上下相鄰圓環(huán)型永磁體充磁方向相反。其中，磁軛內(nèi)部?jī)山M圓環(huán)型磁齒7和9分別為磁軛內(nèi)部?jī)山M圓環(huán)型磁齒，8是感應(yīng)線圈，10為空心圓柱型磁軛，磁軛為高磁導(dǎo)率導(dǎo)磁材料制成。

本發(fā)明提供的一種基于導(dǎo)磁材料的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量俘獲裝置的工作過程如下：

壓電能量收集部分：

當(dāng)壓電-電磁能量收集裝置放置在振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，由于壓電片是具有壓電效應(yīng)的壓電材料，當(dāng)壓電片產(chǎn)生形變時(shí)會(huì)引起壓電片表面的帶電粒子偏離平衡位置，進(jìn)而壓電片的上下表面就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。同時(shí)懸臂梁末端懸掛的鐵芯與永磁體作為一個(gè)整體，對(duì)于壓電懸臂梁相當(dāng)于施加了一個(gè)質(zhì)量塊，能有效降低懸臂梁的諧振頻率，使其低頻適用性更好。

電磁能量收集部分：

首先根據(jù)環(huán)境中振動(dòng)的幅值來調(diào)整圓環(huán)型永磁體厚度、永磁體間距、圓環(huán)型磁齒厚度及磁齒間距的數(shù)值，使環(huán)境振動(dòng)幅值與這些數(shù)值相同。圖6a、圖6b、圖6c是振子與磁軛3種位置關(guān)系圖。下面根據(jù)該圖詳細(xì)分析初始結(jié)構(gòu)的磁路變化及振動(dòng)電磁能量收集部分的工作原理。

圖6a為位置1：永磁體b與磁軛上磁齒d對(duì)齊，永磁體c與磁軛下磁齒對(duì)齊，所謂對(duì)齊是指永磁體振子與磁齒中心點(diǎn)在同一水平線上，兩者相對(duì)的面積相等。磁力線從永磁體c的n極出發(fā)，經(jīng)過圓柱型磁軛、永磁體b、鐵芯、回到永磁體c的s極，形成閉合磁路。此時(shí)，線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大值。

圖6b為位置2：銜鐵與左、右磁軛上磁齒對(duì)應(yīng)面積相等。此時(shí)，全部磁路不經(jīng)過磁軛，磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度為最小值。

圖6c為位置3：永磁體a與磁軛上磁齒對(duì)齊，永磁體b與磁軛下磁齒對(duì)齊，磁力線由永磁體a的n極出發(fā)，經(jīng)圓柱型磁軛、永磁體b、鐵芯、回到永磁體a的s極。此時(shí)，鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度重新回到最大值，但方向與位置1時(shí)相反。

懸臂梁末端振子從位置1向位置2運(yùn)動(dòng)的過程中，磁軛中經(jīng)過的磁力線越來越少，線圈中的磁通量逐漸減少，到達(dá)位置2時(shí)達(dá)到最小值；從位置2向位置3運(yùn)動(dòng)的過程中，磁軛中經(jīng)過的磁力線越來越多，線圈中的磁通量逐漸增多，到達(dá)位置3時(shí)達(dá)到最大值。振子從位置1向上移動(dòng)2個(gè)磁齒高度，磁通量完成一個(gè)周期變化。線圈截面積固定不變，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為：

式中，n指線圈匝數(shù)；指穿過單匝線圈的磁通量；s指線圈截面積；b指線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度，t為時(shí)間。

綜上所述，本發(fā)明中的壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量采集裝置，首先，其懸臂梁末端懸掛的鐵芯為相對(duì)磁導(dǎo)率很高的圓柱型導(dǎo)磁材料，三組內(nèi)圓輻射充磁的圓環(huán)型永磁體的尺寸完全相同，均被平行安插在鐵芯上，三組永磁體均為內(nèi)圓輻射充磁的永磁材料，且中間永磁體的充磁方向與其相鄰圓環(huán)型永磁體的充磁方向相反，三組圓環(huán)型永磁體產(chǎn)生的磁力線在鐵芯中形成通路，不易擴(kuò)散到空氣中而造成浪費(fèi)，使得電磁能量能俘獲的更多；其次，圓柱型磁軛中有兩組平行的圓環(huán)型磁齒，圓環(huán)型磁齒厚度、磁齒間距與三組圓環(huán)型永磁體厚度、永磁體間距相同，可通過調(diào)整它們的厚度使其與環(huán)境中振動(dòng)的幅值相等，使得感應(yīng)線圈中的磁通量變化量達(dá)到最大，極大的提高了電磁俘獲能力；最后，鐵芯與三組圓環(huán)型永磁體作為一個(gè)整體，對(duì)于壓電懸臂梁而言相當(dāng)于末端添加的質(zhì)量塊，能有效降低懸臂梁的諧振頻率，使其低頻適用性會(huì)更好；壓電和電磁的耦合作用，彌補(bǔ)了壓電裝置的輸出電流小和電磁裝置的輸出電壓小的缺點(diǎn)，使其輸出電壓較高，電流較大。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。