[发明专利]一种集成三种发电方式的振动能量收集装置

说明书

本发明一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，属于微能源系统的能量转化领域；包括管外壳、管内壁、折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元、永磁体和内电路；管内壁同轴安装于管外壳内，在管外壳和管内壁之间形成环形间隙；永磁体同轴放置于管内壁内，永磁体能够沿轴向在管内壁内运动；通过永磁铁在管内的运动充当质量块，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；使永磁体上充以图形化电荷的驻极体薄膜与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；永磁体产生磁场使切割磁感线，电磁发电单元输出电压。本发明集成三种发电方式的振动能量收集装置安装方便，尺寸较小，内部发电结构弹性较好，发电效率高。

技术领域

本发明属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种集成三种发电方式的振动能量收集装置。

背景技术

随着无线传感网络在便携式电子产品等领域的广泛应用，其器件要求使用寿命相对较长且分布广泛，更换电池或采用电力线供电显得不切实际，这就对器件的电源供应提出了新的挑战。从环境中收集已存在的机械能量的方法逐渐成为自供电微机电系统的电源系统方案，这种方式也更有利于微机电系统的进一步微型化。可将自然环境广泛存在的如风能、水力能量转换为可以带动发电机工作的旋转运动能量。

最近，柔性压电，摩擦电或驻极体发电机已经被开发出来以解决以上问题。拥有易于制造，低成本，高转换效率和环保无化学处理等优点，能适合众多复杂环境，且能与无线电子器件融合，因此有着广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，M Geisler等人在“Human-motion energyharvester for autonomous body area sensors”(Smart Mater.Struct.26(2017)035028(12pp))(中文题目：“用于自主身体区域传感器的人体运动能量采集器”国际期刊：智能材料与结构)文章中报道了一种电磁式管状振动能量收集装置，在装置两端，贴有反磁铁使管中运动磁铁处于悬浮状态，装置基于电磁感应原理收集环境中的振动能量。从一个适度的“人类运动”刺激下，一个装置能够在阻性负载下传输平均4.95mW的电力。虽然装置在两端加入了反磁铁结构，增强了磁铁运动的稳定性和提高了磁铁的运动速度。但是由于只是采用了单一的一种发电方式，所以说降低了能量转化效率，其输出功率相对较小。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，集成了三种发电方式。当装置受到外界振动时，永磁体会在内部进行运动产生相对位移，折纸发电单元，叉指发电单元，电磁发电单元会分别产生持续的输出电压，将机械能转换为电能。纸发电单元，叉指发电单元发电原理基于驻极体的薄膜摩擦/静电感应原理。电磁发电单元基于电磁感应原理。

本发明的技术方案是：一种集成三种发电方式的振动能量收集装置，其特征在于：包括管外壳、管内壁、折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元、永磁体和内电路；所述管内壁同轴安装于管外壳内，形成两端封闭的中空圆柱结构，在管外壳和管内壁之间形成环形间隙；所述折纸发电单元、叉指发电单元、电磁发电单元由内电路集成置于管内；所述永磁体同轴放置于管内壁内，两者之间为间隙配合，永磁体能够沿轴向在管内壁内运动；

两个所述折纸发电单元的一端分别固定于所述管内壁的两端内壁上，另一端均为自由端，通过永磁体沿轴向运动交替压缩两端的折纸发电单元，使折纸发电单元产生变形，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述叉指发电单元的叉指电极设置于管外壳和管内壁之间的环形间隙内，以聚酰亚胺为基底，铜为电极，是具有指状或梳状的面内有周期性图案的电极；所述永磁体外表面上充以图形化电荷的驻极体薄膜作为另一电极，通过轴向运动与叉指发电单元产生位移，进而影响电荷分布产生输出电压；

所述电磁发电单元由永磁铁和缠绕在管外壳的外周面上的多匝铜丝组成，通过所述永磁体产生的磁场切割磁感线，电磁发电单元输出电压。