一种压电电磁振动能量收集器及其整流电路和能量转换电路

本实用新型属于微型电子设备技术领域，具体涉及一种压电电磁振动能量收集器及其整流电路和能量转换电路。

背景技术：

近年来，随着微型电子设备的发展，低能耗的芯片和传感器出现使得利用周围环境能量的无源供电成为了可能。振动能量具有广泛性、稳定性且能量密度较高特点，非常适合为无线传感器提供能量。传统的供电方式主要为化学电池，这种供电方式存在以下突出问题：1、相对于电子设备，电池供电寿命有限，需要人为阶段性换电池或者充电。对于一些特殊环境下（无人区、密闭环境）的设备来说，电池更换成本太高或者更换困难。2、废弃电池对于环境的污染严重，旧电池的回收处理也是巨大的挑战。

为了解决电池的寿命问题，目前国内外提出了多种形式的能量收集器代替化学电池，常见的有太阳能电池何温差电池，但是太阳能电池和温差电池对环境中光、温度有较高的要求，难以适应各种复杂环境。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中上的不足，提供一种压电电磁振动能量收集器，对各种环境下的振动能进行收集，同时提高机电转换效率和压电的输出电压，使用复合梁拓展工作带宽，具备较好的强度。

为解决现有技术问题，本实用新型公开了一种压电电磁振动能量收集器，包括：电磁能量收集单元、底板和若干组压电能量收集单元，所述电磁能量收集单元和若干组压电能量收集单元均设于所述底板上，若干组压电能量收集单元分别连接所述电磁能量收集单元。

进一步地，

所述电磁能量收集单元包括：线圈、可调磁铁、固定螺栓和线圈固定架，所述固定螺栓设于底板上，所述可调磁铁中部设有螺纹孔，所述可调磁铁与所述固定螺栓螺纹连接，所述线圈通过所述线圈固定架设于所述底板上，所述可调磁铁与所述线圈同心设置。

进一步地，

每组压电能量收集单元包括可调固定架、悬梁固定架和压电双晶悬臂梁，所述可调固定架设于所述底板上，所述悬梁固定架连接所述可调固定架，所述压电双晶悬臂梁一端连接所述悬梁固定架，另一端连接所述线圈。

进一步地，

所述可调磁铁包括上磁铁、中间层和下磁铁，所述上磁铁与所述下磁铁通过磁性连接，所述中间层设于所述上磁铁和下磁铁之间，所述上磁铁和下磁铁设有供所述固定螺栓穿过的通孔，所述中间层设有螺纹孔，所述中间层与所述固定螺栓螺纹连接。

进一步地，

所述压电双晶悬臂梁的表面设有压电片，所述压电片的表面设有焊盘。

进一步地，

所述底板上设有若干条固定槽，所述可调固定架通过所述固定槽设于所述底板上。

进一步地，

所述固定槽的两侧设有刻度线。

进一步地，

所述压电能量收集单元的数量为四组，四组压电能量收集单元圆周分布于所述底板上。

进一步地，一种压电电磁振动能量收集器的整流电路，所述整流电路包括全桥整流桥和以上任一所述的压电电磁振动能量收集器，所述压电电磁振动能量收集器连接所述全桥整流桥的输入端，所述压电电磁振动能量收集器连与所述全桥整流桥之间并联一个电感l和开关s。

进一步地，一种压电电磁振动能量收集器的能量转换电路，包括依次串联的整流电路、稳压电路和电池充电电路，所述整流电路为上述整流电路。

本实用新型具有的有益效果：

1、利用多种能量转换机制和多组能量收集单元，弥补了压电机制低电流和电磁机制低电压的不足，增加了能量转换电路的机电耦合系数，能利用有效的能量转换电路为超级电容或充电电池充电。

2、调整固支支架的位置能改变压电双晶悬臂梁的轴向力，压电双晶悬臂梁的两端以预加的轴向力会给能量转换电路带来非线性，增加能量转换电路的输出。

附图说明

图1本实用新型结构示意图；

图2本实用新型整体及固定槽结构示意图；

图3本实用新型俯视图；

图4本实用新型局部结构示意图；

图5本实用新型整流电路图。

附图标记

线圈1、可调磁铁2、固定螺栓3、底板4、可调固定架5、悬梁固定架6、压电双晶悬臂梁7、线圈固定架8、上磁铁9、中间层10、下磁铁11、固定槽12。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1至5所示，本实用新型的一种压电电磁振动能量收集器，其特征在于，包括：电磁能量收集单元、底板4和若干组压电能量收集单元，所述电磁能量收集单元和若干组压电能量收集单元均设于所述底板4上，若干组压电能量收集单元分别连接所述电磁能量收集单元。所述压电能量收集单元和电磁能量收集单元可以单独工作，也可以将部分或者全部单元串联或者并联在一起工作。当负载需要高电压时，可以将部分压电能量收集单元和电磁能量收集单元串联连接提高电压。当负载需要高电流时，可以将部分压电能量收集单元和电磁能量收集单元并联连接提高电流。

具体地，所述电磁能量收集单元包括：线圈1、可调磁铁2、固定螺栓3和线圈固定架8，所述固定螺栓3设于底板4上，所述可调磁铁2中部设有螺纹孔，所述可调磁铁2与所述固定螺栓3螺纹连接，所述线圈1通过所述线圈固定架8设于所述底板4上，所述可调磁铁2与所述线圈1同心设置。所述可调磁铁2的作用是提供磁场，与所述线圈1组成电磁能量收集单元。所述线圈1为圆柱体，其作用是：减低并匹配目标能量转换电路的固有频率，并作为电磁振子发电，在有限的空间内提高机电耦合系数，增加能量转换电路的输出。

具体地，每组压电能量收集单元包括可调固定架5、悬梁固定架6和压电双晶悬臂梁7，所述可调固定架5设于所述底板4上，所述悬梁固定架6连接所述可调固定架5，所述压电双晶悬臂梁7一端连接所述悬梁固定架6，另一端连接所述线圈1。通过调整所述可调固定架5的固定位置给所述压电双晶悬臂梁7施加轴向拉力或者压力，有效改变振动能量收集器的谐振频率。同时，所述压电双晶悬臂梁7轴向力的增加会给能量转换电路带来非线性，增加能量转换电路的输出。所述压电能量收集单元在外界振动激励下产生振动时，所述压电双晶悬臂梁7产生的横向振动往复地挤压或拉伸压电材料。所述压电双晶悬臂梁7在外力作用下产生了电荷并在表面的积累，实现了振动能到电能的转换。所述压电能量收集单元的输出电压与所述压电双晶悬臂梁7的弯曲变形正相关。类似的，激励驱动磁铁振子运动，根据法拉第电磁定律，线圈回路的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。感生电流与线圈的匝数、磁铁的剩余磁场强度正相关。同时能量转换电路的输出功率与外界负载有关，当外界负载与相对应的内阻匹配时输出功率最大。当能量收集器工作在谐振频率时，梁的振幅最大、能量收集器的效率最高。

如图4所示，所述可调磁铁2包括上磁铁9、中间层10和下磁铁11，所述上磁铁9与所述下磁铁11通过磁性连接，所述中间层10设于所述上磁铁9和下磁铁11之间，所述上磁铁9和下磁铁11设有供所述固定螺栓3穿过的通孔，所述中间层10设有螺纹孔，所述中间层10与所述固定螺栓3螺纹连接。这样的结构具备良好的磁性

所述压电双晶悬臂梁7的表面设有压电片，所述压电片通过导电银胶贴在所述压电双晶悬臂梁7上，所述压电片的表面设有焊盘，并通过引线与外接储能负载或整流电路相连接。

如图2所示，所述底板4上设有若干条固定槽12，所述可调固定架5通过所述固定槽12设于所述底板4上。通过在所述固定槽12上调节所述可调固定架5的位置来调整所述压电双晶悬臂梁7的轴向力，所述固定槽12的两侧设有刻度线，便于精确调节所述可调固定架5的位置，从而精确调整所述压电双晶悬臂梁7的轴向力。

如图3所示，所述压电能量收集单元的数量为四组，四组压电能量收集单元圆周分布于所述底板4上，布局合理。

如图5所示，一种压电电磁振动能量收集器的整流电路，所述整流电路包括全桥整流桥和本实用新型的压电电磁振动能量收集器，所述压电电磁振动能量收集器连接所述全桥整流桥的输入端，所述压电电磁振动能量收集器连与所述全桥整流桥之间并联一个电感l和开关s。

进一步地，一种压电电磁振动能量收集器的能量转换电路，包括依次串联的整流电路、稳压电路和电池充电电路，所述整流电路为图5所示的整流电路。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。且在本实用新型的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。