一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置

本发明涉及振动能量俘获，具体涉及一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置。

背景技术：

1、随着人工智能和集成电路等关键技术的突破，其飞速的发展为智能网络与穿戴式设备的结合奠定了基础，这些独特的可穿戴设备有着各种各样的作用，不仅可用做计时和健康监测等，还可作为人体感知的延长工具，通过网络将人体与外界形成互联，在当今各个领域的科技都蓬勃发展的基础下，有很多商业巨头都将目光转向了可穿戴式电子设备领域，然而可穿戴式电子设备的供电问题也成为了目前急需攻克的难点，传统的纽扣电池不仅无法支持可穿戴式电子设备长久的工作，而且还可能会对环境造成极大的污染，若需要这些电子设备长久的工作，定期更换电池会导致其使用成本变高，而在有些需要不断连续工作的电子设备来说，更换电池更是一大致命难题，若使用其他可重复充放电的电池，其电池健康度以及充电时需要提供额外的充电装置又是一大高成本的问题，因此，如何解决穿戴式电子设备的连续供电问题已经刻不容缓。

2、当前，基于穿戴式电子设备佩戴的外部环境而言，人体的运动正好可以提供相应的能量，使穿戴式设备能长久不断的自供电成为可能，目前采集环境中的振动能主要分为电磁式、压电式和静电式。压电式振动能量采集输出电压较大，但输出电流较小；电磁式振动能量采集输出电压较小，但输出电流较大。不管使用哪种形式，单一方式的能量采集都有其各自的局限性，故将电磁和压电两种方式相结合，相互激励，以此提高能量采集的效率。

3、本发明公开了一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，包括微型深沟球轴承、压电片固定基座、底座、两个弹簧、环形活动架、两个质量块永磁体、两个驱动磁铁、两个线圈支撑架、两个线圈、两个压电片以及光轴。所述的光轴的一端与底座固连，轴上依次与压电片固定基座固连以及微型深沟球轴承内圈固连，微型深沟球轴承外圈与环形活动架固定在一起，所述的环形活动架两端各固定一个弹簧，同时环形活动架与两个驱动磁铁固定在一起，所述的两个压电片一端固定在压电片固定基座相应的卡槽内，另一端各固定上一个质量块永磁体，所述的两个线圈分别缠绕在两个线圈支撑架上面，线圈支撑架固定在底座上，环形活动架绕光轴运动，带动两个驱动磁铁与两个线圈作相对运动产生电磁感应现象输出电能，同时两个驱动磁铁会激励压电片末端的两个质量块永磁体从而带动压电片形变产生电能，该装置可以通过电磁-压电耦合的方式来收集周围环境中的振动能量，适用于人体运动时进行能量俘获。

技术实现思路

1、本发明的目的：一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，利用电磁以及压电耦合的方式，通过非接触磁力激励的上变频方式，提高了人体正常活动中振动能量采集的效率。

2、为实现本发明，采用的技术方案是：一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，包括微型深沟球轴承、压电片固定基座、底座、两个弹簧、环形活动架、两个质量块永磁体、两个驱动磁铁、两个线圈支撑架、两个线圈、两个压电片以及光轴。所述的光轴的一端与底座固连，轴上依次与压电片固定基座固连以及微型深沟球轴承内圈固连，微型深沟球轴承外圈与环形活动架固定在一起，所述的环形活动架两端各固定一个弹簧，同时环形活动架与两个驱动磁铁固定在一起，所述的两个压电片一端固定在压电片固定基座相应的卡槽内，另一端各固定上一个质量块永磁体，所述的两个线圈分别缠绕在两个线圈支撑架上面，线圈支撑架固定在底座上，环形活动架绕光轴运动，带动两个驱动磁铁与两个线圈作相对运动产生电磁感应现象输出电能，同时两个驱动磁铁会激励压电片末端的两个质量块永磁体从而带动压电片形变产生电能，该装置可以通过电磁-压电耦合的方式来收集周围环境中的振动能量，适用于人体运动时进行能量俘获。

3、本发明的有益效果：

4、本发明采用的是电磁-压电耦合的方式，可以通过非接触的磁力激励，将外界较为低频的振动通过上变频的方式使压电片有效的以较高频率振动，以此提高在低频状态下的能量采集效率。

5、本发明采用往复的不完全圆周运动形式，并且通过弹簧的撞击加速，在减小碰撞能量损耗的同时加快环形活动架的运动速度，提高能量采集的效率。

6、本发明采用两个压电片对称排列，外界振动时，每个压电片之间输出的电压大小、幅值、相位均相同，以此减少后续采集电路的结构的复杂性，降低成本。

技术特征：

1.一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，包括微型深沟球轴承（1）、压电片固定基座（2）、底座（3）、两个弹簧（4）、环形活动架（5）、两个质量块永磁体（6）、两个驱动磁铁（7）、两个线圈支撑架（8）、两个线圈（9）、两个压电片（10）以及光轴（11），所述的光轴（11）的一端与底座（3）固连，轴上依次与压电片固定基座（2）固连以及微型深沟球轴承（1）内圈固连，微型深沟球轴承（1）外圈与环形活动架（5）固定在一起，所述的环形活动架（5）两端各固定一个弹簧（4），同时环形活动架（5）与两个驱动磁铁（7）固定在一起，所述的两个压电片（10）一端固定在压电片固定基座（2）相应的卡槽内，另一端各固定上一个质量块永磁体（6），所述的两个线圈（9）分别缠绕在两个线圈支撑架（8）上面，线圈支撑架（8）固定在底座（3）上，环形活动架（5）绕光轴（11）运动，带动两个驱动磁铁（7）与两个线圈（9）作相对运动产生电磁感应现象输出电能，同时两个驱动磁铁（7）会激励压电片（10）末端的两个质量块永磁体（6）从而带动压电片（10）形变产生电能，该装置可以通过电磁-压电耦合的方式来收集周围环境中的振动能量，适用于人体运动时进行能量俘获。

2.根据权利要求书1所述一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，其特征在于环形活动架（5）带着两个驱动磁铁（7）绕光轴（11）转动，与线圈（9）产生电磁感应现象输出电能的同时激励压电片（10）末端的质量块永磁体（6），带动压电片（10）形变产生电能。

3.根据权利要求书1所述的一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，其特征在于在环形活动架（5）两端各固定一个弹簧（4），减少碰撞能量损失的同时加快环形活动架（5）的运动速度，使其产生更多的电能。

4.根据权利要求书1所述的一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，其特征在于为减小装置的摩擦能量损耗，将环形活动架（5）运动所产生的摩擦集中于微型深沟球轴承（1）内部，可以通过更换合适的轴承以及适当的润滑条件进一步减少摩擦损耗。

5.根据权利要求书1所述的一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，其特征在于底座（3）底端夹角为135°。

6.根据权利要求书1所述的一种基于电磁-压电耦合的能量采集装置，其特征在于环形活动架（5）运动的范围并不是整个圆周运动，通过底座（3）的限位使其处在高效的运动区间内，以此相对增加驱动磁铁（7）与线圈（9）产生电磁感应现象产生电能的效率。

技术总结
本发明公开了一种基于电磁‑压电耦合的能量采集装置，包括微型深沟球轴承、压电片固定基座、底座、两个弹簧、环形活动架、两个质量块永磁体、两个驱动磁铁、两个线圈支撑架、两个线圈、两个压电片以及光轴，所述的环形活动架绕光轴运动，带动两个驱动磁铁与两个线圈作相对运动产生电磁感应现象输出电能，同时两个驱动磁铁会激励压电片末端的两个质量块永磁体，从而带动压电片形变产生电能，该装置可以通过电磁‑压电耦合的方式来收集周围环境中的振动能量，适用于人体运动时进行能量俘获。

技术研发人员：施阁,梁星,胡项展,潘佳恒,胡泽楠
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15