一种可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置

摘要

本发明公开了一种可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置，包括轴杆，所述轴杆的两端分别安装有轴套和磁性内筒，轴套之间安装有弹性薄壁外筒，弹性薄壁外筒由若干片弹性薄板、若干块条状永磁铁和柔性压电元件构成，柔性压电元件粘接在弹性薄板的表面上，条状永磁铁分布在弹性薄板的内侧，且条状永磁铁粘接在所述弹性薄板上，并处于所述弹性薄板的边界内部，弹性薄壁外筒内的轴杆上套装有磁性内筒。本发明利用磁性内筒中的瓦形永磁铁与弹性薄壁外筒内侧分布的条状永磁铁的永磁力以及与弹性薄板变形时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，形成双稳态现象，可加大弹性薄板的振动幅度，提高能量收集效率。

说明书

技术领域：

本发明涉及属于能量回收领域，涉及一种压电振动能量收集器，主要涉及一种可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置。

背景技术：

目前大部分微型电子元器件都是采用电池供能，虽然电池可以提供稳定的电量满足微电子产品的能量需求，但是对于很多场合，特别是网络式的大规模微型电子元器件系统，采用电池供能会带来很多不便，一方面电池的使用寿命有限，需要定期更换，另一方面对于这种大规模的微型电子元器件系统更换电池十分不易。在一些特殊场合例如易燃易爆等危险场合，难以采用电池为电子元器件供能。因此寻求电池的替代品，并在某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电的各种能量收集技术的研究已成为近年来的研究热点。

通过能量收集技术可以将环境中的各种形式的能量转换为可用电能，目前主要的能量收集技术有光能收集技术；热能收集技术和振动能量收集技术。振动广泛存在于自然环境中并具有较高的能量密度，振动能量收集技术相比于光能收集技术和热能收集技术对应用环境的要求较低，可以提供较为稳定的能量。在振动能量收集技术中通过压电材料的正压电效应收集能量的压电能量收集技术具有较高的功率密度和更加简单的结构，易于集成与微型化，符合电子元器件的发展趋势，在能量回收领域得到了广泛应用。如中国专利（公开号CN204190649U）公开了一种轴向按压式的压电能量采集器；如中国专利（公开号CN102332843A）公开了一种对称旋转压电发电装置；如中国专利（公开号CN102723894A）公开了一种压电双晶梁旋转压电发电装置。

但以上这些利用压电能量收集技术的专利中，所提到的压电能量收集装置只能收集外界振动位移或者旋转所激发的振动能量，不能同时收集这两种不同激励情况下的振动能量，不利于压电能量收集装置的实用化。目前常见的旋转式能量收集装置是基于电磁感应原理的发电机结构，如中国专利（公开号CN105836005A）公开了一种电动车电磁感应发电机和中国专利（公开号CN105684280A）公开了一种发电机。这些基于电磁感应原理的发电机结构较为复杂，不易于微型化和集成化，不适合为微型电子元器件供能。

发明内容：

本发明目的就是设计一款能同时收集外界振动位移和旋转所激发的振动能量的压电能量收集装置，并利用压电能量收集装置中存在的双稳态现象提高发电效率，本发明相比目前常见的压电能量收集装置具有更高的能量收集效率。本发明相比目前常见的基于电磁感应原理的发电机结构更加紧凑，更易于微型化与集成化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置，其特征在于：包括轴杆，所述轴杆的两端分别安装有轴套，所述轴套之间安装有弹性薄壁外筒，所述弹性薄壁外筒由若干片弹性薄板、若干块条状永磁铁和柔性压电元件构成，所述柔性压电元件粘接在弹性薄板的表面上，所述条状永磁铁分布在弹性薄板的内侧，并处于所述弹性薄板的边界内部，所述弹性薄壁外筒内的轴杆上套装有磁性内筒。

所述的弹性薄壁外筒整体呈鼓状或灯笼状。

所述的弹性薄板整体呈弓形，其两端较宽，沿着两端向中间一段距离后其宽度逐渐减小，且相邻弹性薄板之间的两端侧面均粘合在一起，且构成圆周分布的弹性薄壁外筒的侧面。

所述的弹性薄板沿弧面上分别分布有多块条状永磁铁，且每块所述条状永磁铁未粘接基面对应的磁极分布相异，相邻所述弹性薄板间对应的所述弹性薄壁外筒径向分布的所述条状永磁铁磁极分布相异。

所述轴套的外边缘与所述弹性薄壁外筒的上端和下端的内侧面粘接。

所述的轴杆采用铝合金制造，所述弹性薄板采用铍青铜制造，所述轴套采用铝合金制造，所述柔性压电元件采用PVDF压电薄膜，，所述条状永磁铁采用钕铁硼永磁铁。

所述的条状永磁铁沿厚度方向充磁，磁极分布在上下基面，所述条状永磁铁的宽度小于弹性薄板的最小宽度，所述条状永磁铁通过基面粘接在弹性薄板上。

所述的磁性内筒由若干片瓦形永磁铁通过侧面粘接构成，且磁性内筒的内弧面与轴杆圆周面粘接。

所述的瓦形永磁铁可采用钕铁硼永磁铁，所述瓦形永磁铁通过径向充磁，磁极分布在弧面，且相邻所述瓦形永磁铁之间的外弧面对应的磁极彼此相异。

其原理是：利用永磁铁之间的永磁力驱使所述弹性薄板发生变形，利用所述轴杆外接所述磁性内筒并内置于所述弹性薄壁外筒的结构设计不仅可以收集所述轴杆轴向运动的振动能量，还可以收集所述轴杆旋转运动激发的能量。所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置可通过所述轴杆端部感受外界环境振动，所述轴杆带动所述磁性内筒在所述弹性薄壁外筒内部来回轴向运动，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧沿弧面分布的所述条状永磁铁相互作用驱使所述弹性薄板往复发生变形，所述弹性薄板表面粘接的所述柔性压电元件产生电能，所述柔性压电元件表面产生的电能可通过导线输出。

当外界激励使所述轴杆旋转时，所述轴杆带动所述磁性内筒旋转，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧沿径向分布的所述条状永磁铁相互作用驱使所述弹性薄板发生往复变形，所述弹性薄板表面粘接的所述柔性压电元件产生电能，所述柔性压电元件表面产生的电能可通过导线输出。

所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置利用所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧分布的所述条状永磁铁的永磁力与所述弹性薄板变形时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，形成双稳态现象，可加大所述弹性薄板的振动幅度，提高能量收集效率。本发明相比于目前常见的基于电磁感应原理的发电机结构更加紧凑，更易于微型化。

相比于目前常见的压电能量收集装置能同时收集外界振动位移和旋转所激发的振动能量。发电效率相比于常见的单稳态或单一压电悬臂梁结构的压电能量收集装置有明显提高。本发明通过对外界振动能量的收集可以提高能源利用效率并实现低功耗器件的自供电。

本发明的优点是：

利用永磁铁之间的永磁力驱使所述弹性薄板发生变形，利用所述轴杆外接所述磁性内筒并内置于所述弹性薄壁外筒的结构设计不仅可以收集所述轴杆轴向运动的振动能量，还可以收集所述轴杆旋转运动激发的能量。所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置可通过所述轴杆端部感受外界环境振动，所述轴杆带动所述磁性内筒在所述弹性薄壁外筒内部来回轴向运动，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧沿弧面分布的所述条状永磁铁相互作用驱使所述弹性薄板往复发生变形，所述弹性薄板表面粘接的所述柔性压电元件产生电能，所述柔性压电元件表面产生的电能可通过导线输出。当外界激励使所述轴杆旋转时，所述轴杆带动所述磁性内筒旋转，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧沿径向分布的所述条状永磁铁相互作用驱使所述弹性薄板发生往复变形，所述弹性薄板表面粘接的所述柔性压电元件产生电能，所述柔性压电元件表面产生的电能可通过导线输出。

所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置利用所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁与所述弹性薄壁外筒内侧分布的所述条状永磁铁的永磁力与所述弹性薄板变形时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，形成双稳态现象，可加大所述弹性薄板的振动幅度，提高能量收集效率。本发明相比于目前常见的基于电磁感应原理的发电机结构更加紧凑，更易于微型化。相比于目前常见的压电能量收集装置能同时收集外界振动位移和旋转所激发的振动能量。发电效率相比于常见的单稳态或单一压电悬臂梁结构的压电能量收集装置有明显提高。本发明通过对外界振动能量的收集可以提高能源利用效率并实现低功耗器件的自供电。

附图说明：

图 1 为本发明可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置中弹性薄壁外筒和轴套的结构示意图。

图 2为本发明可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置中磁性内筒和轴杆的结构示意图。

图 3为本发明可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置的整体结构示意图。

图4为弹性薄板、柔性压电元件以及条状永磁体之间位置关系的局部结构截面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为弹性薄板；2为条状永磁体；3为瓦形永磁体；4为柔性压电元件；5为轴杆；6为轴套

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式：图 3是按照本发明可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置的整体结构示意图。如图 3中所示，所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置包括：弹性薄壁外筒；轴套6；磁性内筒和轴杆5。所述弹性薄壁外筒整体呈鼓状或灯笼状，在本实施例中所述弹性薄壁外筒由六片弹性薄板1，十八块条状永磁铁2和柔性压电元件4构成。所述弹性薄板1采用铍青铜制造，所述弹性薄板1整体呈弓形，其两端较宽，沿着两端向内一段距离后，其宽度逐渐减小。相邻所述弹性薄板1之间通过两端间的侧面粘合形成封闭曲面并构成所述弹性薄壁外筒的侧面。所述柔性压电元件4采用PVDF压电薄膜，其粘接在所述弹性薄板1的表面。所述条状永磁铁2沿厚度方向充磁，磁极分布在上下基面，所述条状永磁铁2采用钕铁硼永磁铁。所述条状永磁铁2分布在所述弹性薄壁外筒的内侧，所述条状永磁铁2的宽度小于所述弹性薄板1的最小宽度，所述条状永磁铁2通过基面粘接在所述弹性薄板1上，并处于所述弹性薄板1的边界内部。每片所述弹性薄板1沿弧面分布有多块所述条状永磁铁2，且每块所述条状永磁铁2未粘接基面对应的磁极分布相异，相邻所述弹性薄板1间对应的所述弹性薄壁外筒径向分布的所述条状永磁铁2磁极分布相异。在本实施例中，每片所述弹性薄板1沿弧面从上到下分布有三块所述条状永磁体2，所述条状永磁体2在每片所述弹性薄板1沿弧面从上到下的磁极排列有两种，分别是N-S-N和S-N-S，为了使相邻所述弹性薄板1间对应的所述弹性薄壁外筒径向分布的所述条状永磁铁2磁极分布相异，所述条状永磁体2在相邻所述弹性薄板1沿弧面从上到下的采用不同的磁极排列。所述轴套6采用铝合金制造并安置在所述弹性薄壁外筒的上端和下端，所述轴套6的外侧面与所述弹性薄壁外筒的上端和下端的内侧面粘接。在本实施例中所述磁性内筒由六片瓦形永磁铁3通过侧面粘接构成，所述瓦形永磁铁3通过径向充磁，磁极分布在弧面，所述瓦形永磁铁3采用钕铁硼永磁铁。相邻所述瓦形永磁铁3之间的外弧面对应的磁极彼此相异。所述轴杆5穿过所述轴套6和所述磁性内筒，所述轴杆5的外侧面与所述磁性内筒的内弧面粘接，所述轴杆5采用铝合金制造。

所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置利用永磁铁之间的永磁力驱使所述弹性薄板1发生变形，利用所述轴杆5外接所述磁性内筒并内置于所述弹性薄壁外筒的结构设计不仅可以收集所述轴杆5轴向运动的振动能量，还可以收集所述轴杆5旋转运动激发的能量。

所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置可通过所述轴杆5端部感受外界环境振动，所述轴杆5带动所述磁性内筒在所述弹性薄壁外筒内部来回轴向运动，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁3与所述弹性薄壁外筒内侧沿弧面分布的所述条状永磁铁2相互作用驱使所述弹性薄板1往复发生变形，所述弹性薄板1表面粘接的所述柔性压电元件4产生电能，所述柔性压电元件4表面产生的电能可通过导线输出。当外界激励使所述轴杆5旋转时，所述轴杆5带动所述磁性内筒旋转，所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁3与所述弹性薄壁外筒内侧沿径向分布的所述条状永磁铁2相互作用驱使所述弹性薄板1发生往复变形，所述弹性薄板1表面粘接的所述柔性压电元件4产生电能，所述柔性压电元件4表面产生的电能可通过导线输出。

所述可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置利用所述磁性内筒中的所述瓦形永磁铁3与所述弹性薄壁外筒内侧分布的所述条状永磁铁2的永磁力与所述弹性薄板1变形时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，形成双稳态现象，可加大所述弹性薄板1的振动幅度，提高能量收集效率。

本发明相比于目前常见的基于电磁感应原理的发电机结构更加紧凑，更易于微型化。相比于目前常见的压电能量收集装置能同时收集外界振动位移和旋转所激发的振动能量。发电效率相比于常见的单稳态或单一压电悬臂梁结构的压电能量收集装置有明显提高。本发明通过对外界振动能量的收集可以提高能源利用效率并实现低功耗器件的自供电。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。