一种动力机械的复合式振动俘能装置

本发明涉及俘能装置，具体为一种动力机械的复合式振动俘能装置。

背景技术：

1、各类动力机械在运行过程中会产生剧烈的低频振动。通常情况下，这些振动往往以机械能等形式耗散，而这是一笔储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源。如果能通过俘能装置将振动能量转化为电能，为动力机械表面的传感设备供电，这样便能够实现传感网络的无线化、自供能化。这将有效解决传统传感器布线困难、需要额外能量输入、电池污染大、更换电池困难等众多难题，同时能够变废为宝，实现无用能量的回收和再利用。

2、目前，针对微小低频振动的能量收集方式主要有四种，分别是静电式、压电式、电磁式和摩擦式。静电式能量收集技术有很好的集成特性，但其在产生电能前需外加初始电压，限制了其应用范围，所以并未广泛应用。对于压电式能量收集技术，单压电悬臂梁是最典型的振动能量收集结构，已有较广泛研究。其虽然能量转换效率高，但压电陶瓷脆性较大，易疲劳，所以使用寿命较短。电磁式能量收集技术已被广泛应用在许多能量收集器中。其中悬臂梁式结构研究较多,但是存在磁体与线圈尺寸较大，输出电压较低等问题。摩擦式能量收集技术的核心部件为两种摩擦电序不同的材料，具有结构简单、成本低、重量轻、功率密度高和效率高等特点。

3、近些年，复合式能量采集技术已经被证明是实现振动能量高效获取的有效途径，通过合理设计装置结构，可以实现兼顾多种发电方式的优点，同时提高空间利用率。国内外学者在复合式振动能量收集领域贡献了众多阶段性成果，各种新型俘能装置不断涌现，但其仍然面临着众多问题：(1)现有的采用两端固支式弹性梁的能源收集装置虽然在特定频段能够实现较好的输出，但弹性梁的两端固支部分会产生应力过大的现象，从而容易造成装置疲劳与发电模块的损坏，缩短装置寿命；(2)大多数能源收集装置对于随机、不规则的环境振动没有很好的响应，从而大大降低了振动能量的收集范围；如何在保证能量收集装置在高功率输出的前提下提高装置寿命、提高装置的响应频带，成为了亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、本发明提供了一种动力机械的复合式振动俘能装置，目的是为了克服应用于动力机械的两端固支式弹性梁振动能量收集装置应力集中、寿命较短的问题以及振动能量收集装置对于随机不规则振动响应较弱的问题而提供一种使用摩擦-压电-电磁复合式发电技术的动力机械的复合式振动俘能装置，可以在保证高功率收集动力机械振动能量的同时有效解决弹性梁应力集中问题，并提高装置对随机振动的响应。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种动力机械的复合式振动俘能装置，包括外壳、压电-电磁式振动收集模块，该收集模块安装于外壳内；压电-电磁式振动收集模块包括弹性梁、四个压电陶瓷、两个磁铁以及线圈；每个压电陶瓷贴附于弹性梁的上表面，每个磁铁贴附于压电陶瓷的中心位置，磁铁轴线与弹性梁表面轴线平行，两个磁铁的磁极相吸，两个线圈分别安装在上外壳和下外壳的线圈架内，磁铁的轴线与线圈的轴线同轴且共线；摩擦式振动收集模块安装在下外壳的内侧角落处，每个俘能装置安装多个摩擦式振动收集模块，每个摩擦式振动收集模块包括两个端盖，圆筒，两个铜片和小球，铜片内嵌在端盖内部，两个端盖分别嵌合在圆筒两端，其中一个端盖与下外壳相连，小球安放在圆筒内。外壳受到外界振动激励时，压电-电磁式振动收集模块在重力和惯性的作用下在外壳内运动，由于弹性梁被弹性梁安装槽所固定，因此只能接受垂向激励，并转化为弹性梁变形以及磁铁的垂向运动，从而导致压电陶瓷受到压力产生电能，完成压电发电；线圈的磁通量发生改变产生电能，完成电磁发电；外壳所受到的外界振动激励会通过下外壳传递到摩擦式振动收集模块中，使小球在重力与惯性的作用下上下运动，由于圆筒的作用，小球只能进行垂向运动，小球不断接触上下两侧的铜片，使表面电荷不断转移，从而完成摩擦发电。本装置将摩擦发电、压电发电、电磁发电相结合，将外界环境中的振动能量更高效的转化为电能。

6、优选的，所述外壳包括沿竖直方向对称设置的上外壳和下外壳，上外壳和下外壳之间采用粘合剂固定连接。

7、优选的，所述上外壳的外表面设置有导线孔通向内表面以实现导线的引出，内表面设置有导线槽通向导线孔；上外壳和下外壳的内部设有线圈架，以便于线圈的安装与固定。

8、优选的，所述下外壳的内表面设置有导线槽通向导线孔；

9、优选的，所述下外壳的外表面设有四个安装孔，通过螺柱穿过下外壳的安装孔，再通过螺丝进行锁紧固定；

10、优选的，所述弹性梁与弹性梁固定槽之间使用粘合剂固定连接。

11、优选的，所述压电陶瓷、磁铁与弹性梁之间使用粘合剂固定连接。

12、优选的，所述线圈与线圈架之间使用粘合剂固定连接。

13、优选的，所述端盖与下外壳之间使用粘合剂固定连接，圆筒与端盖之间通过摩擦力固定连接，铜片与端盖使用粘合剂固定连接，小球自由放置在圆筒内。

14、(三)有益效果

15、与现有技术相比，本发明提供了一种动力机械的复合式振动俘能装置，具备以下有益效果：

16、1、本发明所使用的非对称式螺旋弹性梁，能够在有限的空间内增加弹性梁的长度，在相同条件下有效减小固定端应力，有效避免了应力集中问题，增加装置的使用寿命；螺旋弹性梁可以看作平面弹簧，在能够收集原有固有频率振动能量之外，拓宽装置回收能量的工作频带，提高了装置的应用范围和俘能效率。

17、2、本发明中弹性梁在响应外界振动能而在外壳内运动的同时，位于弹性梁上的磁铁既作为配重块来放大弹性梁的运动，又引起线圈内磁通量改变而产生感应电动势，从而完成电磁发电，形成复合式的能量输出，提高了装置的俘能效率。

18、3、本发明中摩擦式振动收集模块利用了装置闲置的空间，提高了装置的空间利用率。引入摩擦式振动收集模块能够有效弥补压电-电磁式振动收集模块在工作频带以外能量收集能力不足、对随机振动响应较差的缺点，提高了装置对于环境中振动能量的收集效率。

技术特征：

1.一种动力机械的复合式振动俘能装置，包括外壳(1)、压电-电磁式振动收集模块(2)，其特征在于：该收集模块(2)安装于外壳(1)内；压电-电磁式振动收集模块(2)包括弹性梁(21)、四个压电陶瓷(22)、两个磁铁(23)以及线圈(24)；每个压电陶瓷(22)贴附于弹性梁(21)的上表面，每个磁铁(23)贴附于压电陶瓷的中心位置，磁铁(23)轴线与弹性梁(21)表面轴线平行，两个磁铁(23)的磁极相吸，两个线圈(24)分别安装在上外壳(11)和下外壳(12)的线圈架(112)内，磁铁(23)的轴线与线圈(24)的轴线同轴且共线；摩擦式振动收集模块(3)安装在下外壳(12)的内侧角落处，每个俘能装置安装多个摩擦式振动收集模块(3)，每个摩擦式振动收集模块包括两个端盖(31)，圆筒(32)，两个铜片(33)和小球(34)，铜片(33)内嵌在端盖(31)内部，两个端盖(31)分别嵌合在圆筒(32)两端，其中一个端盖(31)与下外壳(12)相连，小球(34)安放在圆筒(32)内；外壳(1)受到外界振动激励时，压电-电磁式振动收集模块(2)在重力和惯性的作用下在外壳(1)内运动，由于弹性梁(21)被弹性梁安装槽(122)所固定，因此只能接受垂向激励，并转化为弹性梁(21)变形以及磁铁(23)的垂向运动，从而导致压电陶瓷(22)受到压力产生电能，完成压电发电；线圈(24)的磁通量发生改变产生电能，完成电磁发电；外壳(1)所受到的外界振动激励会通过下外壳(12)传递到摩擦式振动收集模块(3)中，使小球(34)在重力与惯性的作用下上下运动，由于圆筒(32)的作用，小球(34)只能进行垂向运动，小球(34)不断接触上下两侧的铜片(33)，使表面电荷不断转移，从而完成摩擦发电。

2.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述外壳(1)包括沿竖直方向对称设置的上外壳(11)和下外壳(12)，上外壳(11)和下外壳(12)之间采用粘合剂固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述上外壳(11)的外表面设置有导线孔(111)通向内表面以实现导线的引出，内表面设置有导线槽(113)通向导线孔(111)。

4.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述上外壳(11)和下外壳(12)的内部设有线圈架(112)，以便于线圈(24)的安装与固定。

5.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述下外壳(12)的外表面设有四个安装孔(121)，通过螺柱穿过下外壳(12)的安装孔(121)，再通过螺丝进行锁紧固定。

6.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述弹性梁(21)与弹性梁固定槽(122)之间使用粘合剂固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述压电陶瓷(22)、磁铁(23)与弹性梁(21)之间使用粘合剂固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述线圈(24)与线圈架(112)之间使用粘合剂固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种动力机械的复合式振动俘能装置，其特征在于：所述端盖(31)与下外壳(12)之间使用粘合剂固定连接，圆筒(32)与端盖(31)之间通过摩擦力固定连接，铜片(33)与端盖(31)使用粘合剂固定连接，小球(34)自由放置在圆筒(32)内。

技术总结
本发明涉及俘能装置技术领域，且公开了一种动力机械的复合式振动俘能装置，包括外壳、压电‑电磁式振动收集模块，该收集模块安装于外壳内；压电‑电磁式振动收集模块包括弹性梁、四个压电陶瓷、两个磁铁以及线圈；每个压电陶瓷贴附于弹性梁的上表面，每个磁铁贴附于压电陶瓷的中心位置，磁铁轴线与弹性梁表面轴线平行，两个磁铁的磁极相吸。本发明所使用的非对称式螺旋弹性梁，能够在有限的空间内增加弹性梁的长度，在相同条件下有效减小固定端应力，有效避免了应力集中问题，增加装置的使用寿命；螺旋弹性梁可以看作平面弹簧，在能够收集原有固有频率振动能量之外，拓宽装置回收能量的工作频带，提高了装置的应用范围和俘能效率。

技术研发人员：曹屹锋,王越海钦,穆胤学,马旋
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13