[发明专利]一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及一种能把机械振动能转换成电能并进行采集的技术，尤其涉及一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器。

背景技术

电子产品不断向微型化的方向发展，蓝牙技术和低功耗通讯标准(如Zigbee和IEEE802.15.4)的发展很大程度上推动了无线传感网络和通讯节点的研究，微机电系统由于具有能耗低、体积小、功能大、可批量生产等特点也正在迅速发展。但是，不管是无线传感产品还是微机电器件，供电问题正成为它们发展的一个很大障碍。原因是：目前给这些系统供电的手段主要依靠电池或电力线，电池、电力线供电有以下几个缺点：电池寿命短，存储能量有限，在某些应用中更换电池成本高，而在有些环境中无法使用有线方式供电。

由于能量采集器可以把环境中存在的能量转换成电能，从而成为一种可代替电池和可自我维持的新型电源，正受到越来越广泛的重视。太阳能、热能和振动能是环境中最普通的三种能源。由于环境中的振动能量无处不在，振动能量采集器成为可自我维持电源研究中的一大热点，它的工作方式主要有三种：电磁式、静电式和压电式。电磁式能量采集装置主要包括：永磁体、绕线组、运动腔体，其中绕线组缠绕在运动腔体外壁，永磁体在运动腔体内往复运动，与绕线组产生相对运动，通过切割磁力线在绕线组内产生感应电流，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN201068842Y、CN1652440A、CN1604436A、CN2617073Y、CN101185230A、CN101110545A、CN1603155A等，这类专利中，永磁体和腔体间通常安装了滑轨、轴承等运动传送装置，体积大，主要适用于强振动能量转换场合。静电式能量采集装置主要包括由悬臂梁和质量块组成的动极板、定极板、驻极体、处理电路组成，动极板在振动加速度作用下相对于定极板产生相对偏移，不同结构的装置可能产生可变电容极板遮盖面积变化，或引起电容极板间的距离发生变化，从而使极板上的极化电荷在两个电容极板间转移形成电流，经滤波和整流后输出，如中国发明专利CN1547312A、美国专利US7112911B2，这类静电式振动能量采集器若不采用驻极体作电介质，在开始工作时需要一个外界电压驱动。压电式能量采集装置主要包括：粘贴有压电片的悬臂梁，或者直接用压电片构成的悬臂梁，一个产生惯性力的质量块；通过质量块振动产生惯性力，作用到悬臂梁上产生交变应力，利用压电片的压电效应，产生电输出，如中国发明专利CN2834010Y、CN201054553Y、CN101017989A、美国专利US7345407B2、US7414351B2。

发明内容

本发明公开了一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器，它包括：支撑机构、压磁/压电复合磁电换能器、永磁体磁路、弹性机构；其中，压磁/压电复合磁电换能器处于永磁体磁路的气隙磁场空间内；压磁/压电复合磁电换能器和永磁体磁路中的一者通过弹性机构与支撑机构弹性连接，并可随弹性机构作往复运动，另一者固定在支撑机构的底座上；即：或者压磁/压电复合磁电换能器固定在底座上，永磁体磁路通过弹性机构与支撑机构连接；或者永磁体磁路通过非导磁材料固定在底座上，压磁/压电复合磁电换能器通过弹性机构与支撑机构连接。弹性机构感受自供能装置外部环境振动，使磁电换能器与永磁体磁路在外部振动激励时产生相对运动，当永磁体磁路和磁电换能器产生相对运动时，磁电换能器感受永磁铁提供的变化磁场，该变化磁场诱发磁电换能器中的压磁相发生相应形变，该形变传递到换能器中的压电相，由于压电材料的压电效应产生电输出，从而实现机-磁-电转换。

所述的压磁/压电复合磁电换能器，包括：层合换能结构、筋板；振动自供能装置中的各个层合换能结构间相隔一定距离，并通过筋板连接；筋板的一端或者两端，与弹性机构或者底座连接。

所述的层合换能结构为压磁材料和压电材料交替叠放的多层结构；层合换能结构或者成块状，或者成环状；所述筋板或者成板状，或者成圆弧柱面，分别对应块状和环状的层合换能结构。

所述的弹性机构的两种典型结构，它们的结构及其与其它器件的对应关系如下：

1)所述的弹性机构为板状的弹性悬臂梁，支撑机构为“L”型，弹性悬臂梁一端固定在“L”型支撑机构的垂直支架上，弹性悬臂梁另一端与压磁/压电复合磁电换能器或永磁体磁路固定连接。

2)所述的弹性机构由弹簧与水平连接板连接构成；支撑机构为“匚”型；“匚”型支撑机构上下两侧内表面分别通过弹簧及连接板与压磁/压电复合磁电换能器或永磁体磁路上下两端弹性连接。