[发明专利]一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器

说明书

本发明公开了一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，包括外框，电磁能量收集单元和复合梁；所述电磁能量收集单元包括线圈、磁铁振子；所述复合梁包括子悬臂梁、锥形空腔梁、连接件、锥形空腔压电片和子悬臂梁压电片；所述锥形空腔梁的短端固定于外框，长端通过连接件连接子悬臂梁的一端，所述子悬臂梁的另一端固定磁铁振子，所述锥形空腔梁上设有锥形空腔压电片，子悬臂梁设有子悬臂梁压电片，所述线圈与磁铁振子同心，设在外框上。本发明将两个谐振频率不同但接近梁通过连接件耦合，增加带宽，通过锥形空腔梁的设计，提高压电电压的输出，同时使用磁铁振子匹配目标系统的固有频率，提高采集效率。

技术领域

本发明涉及一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，属于压电电磁复合能量收集的技术领域。

背景技术

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：首先相对于电子设备，电池供电寿命有限，需要人为阶段性换电池或者充电。其次对于一些特殊环境下，例如无人区、密闭环境的设备来说，电池更换成本太高或者更换困难。最后废弃电池对于环境的污染严重，旧电池的回收处理也存在巨大的挑战。

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。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、温差电池以及振动能量收集器。相比较于太阳能电池和温差电池对环境中光、温度有较高的要求，振动能量收集器的应用领域和范围更加广泛。

振动能量收集器通过某种或者多种换能原理将振动能转换为电能。其中最常见的有基于压电效应的压电换能、基于电磁感应的电磁换能和基于电容原理的静电换能。压电换能具有结构简单、输出电压于功率密度高等优点，但是存在压电内阻较大输出电流小，压电材料容易出现断裂破碎缺点。电磁换能具有输出电流大、内阻低的优点，但是存在输出电压低的缺点。相对于前两种换能器，静电换能需要额外的电源或者电荷源，因而无法实现无源供电。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，对环境中的振动能进行收集，目的在于拓展工作带宽，提高机电转换效率和压电的输出电压。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，包括外框，电磁能量收集单元和复合梁；

所述电磁能量收集单元包括线圈、磁铁振子；

所述复合梁包括子悬臂梁、锥形空腔梁、连接件、锥形空腔压电片和子悬臂梁压电片；

所述锥形空腔梁的短端固定于外框，长端通过连接件连接子悬臂梁的一端，所述子悬臂梁的另一端固定磁铁振子，所述锥形空腔梁上设有锥形空腔压电片，子悬臂梁设有子悬臂梁压电片，组成多个压电收集单元，所述线圈设在外框上。

进一步的，所述子悬臂梁压电片和锥形空腔压电片表面分布有焊盘，通过引线与外接储能负载相连。

进一步的，所述子悬臂梁、锥形空腔梁与连接件之间通过螺栓或胶粘方式固定连接。

进一步的，所述外框为长方形框，固定电极引线和储能电路，同时作为锥形空腔梁振动的止动器，防止过大振幅对压电材料断裂破坏

进一步的，所述磁铁振子上下对称固定在子悬臂梁能够活动的一端。

优选的，所述磁铁振子选用铷硼磁铁，外形为圆柱体，其作用是减低并匹配目标系统的固有频率，并为线圈提供磁场。

进一步的，所述线圈位于磁铁振子上下，固定于外框，并与磁铁振子同心。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：