[发明专利]阵列化的电磁-摩擦复合振动能收集装置

说明书

本发明公开了一种阵列化的电磁‑摩擦复合振动能收集装置，包括：外壳；振动能收集机构，包括阵列化排布于外壳内的多个振动能收集单元，每个振动能收集单元包括弹簧拾振单元、电磁发电单元以及摩擦发电单元；弹簧拾振单元包括拾振体和多个弹簧，每个弹簧的一端连接于拾振体的外表面，另一端连接于外壳的内表面；电磁发电单元包括磁铁单元和线圈，磁铁单元设于拾振体内，磁铁单元包括沿竖直方向相对设置的两个磁铁，两个磁铁的磁极相斥，线圈围设于拾振体外且连接于外壳的内表面；摩擦发电单元连接于拾振体的外表面。本装置可以将外界任意方向的振动激励转化为电能输出；引入电磁‑摩擦复合式振动能收集结构；阵列化设计，拓宽装置的工作频带。

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，尤其涉及一种阵列化的电磁-摩擦复合振动能收集装置。

背景技术

随着万物互联时代拉开序幕，各种用于交互通讯的传感器的需求数量急剧增加。作为传感系统的命脉，可靠的能源供给是交互通讯网络的关键因素，然而目前大部分无线传感网络节点仍采用电池供电。一方面，电池有限的寿命给海量无线传感网络节点的电池更换或充电提出了巨大的挑战；另一方面，化学能电池不仅难以抵抗高、低温等恶劣环境，而且会给环境造成污染。因此无线传感网络节点供电问题已成为制约物联网建设的瓶颈。环境振动能量是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源，通过能量采集技术，将环境中的机械能转换为电能，为无线传感网络节点供电，是打破传统供电方式限制的有效解决途径。

振动能量收集技术利用振动能量收集器将环境中的机械振动能转化为电能。目前，几种机电换能机制包括压电效应、电磁感应和摩擦起电效应。通常将利用以上机电换能机制设计的振动能量收集器称为压电式、电磁式和摩擦电式振动能量收集器。压电式振动能量收集器利用压电材料的正压电效应产生电能，压电式能量收集器可以产生较高的输出功率，不过压电材料韧性较低，易发生断裂。电磁式振动能量收集器基于法拉第电磁感应定律工作，线圈中的磁通量变化从而产生感应电动势。电磁式能量收集技术较为成熟，目前在大尺寸的系统内的应用都已得到实现，但是由于磁铁性能受空间和振动幅度限制，会相应的导致器件的输出偏小、集成度不高。摩擦电式振动能量收集器是基于摩擦起电和静电感应现象工作的，摩擦发电技术利用不同材料得失电子能力的差异，在接触摩擦过程中形成电荷转移，产生电势差，具有输出电流低电压高的特性。单一转换机制的能量收集器通常存在着稳定性不佳或能量收集效率不高的问题。近年来新兴的电磁-摩擦复合能量采集技术已被证明是实现振动能量高效获取与转换的有效途径。摩擦纳米发电机(TENGs)具有较高的输出电压，但是输出电流只有微安级，而电磁发电机(EMGs)的输出电流可达毫安级，两者的组合可以满足较高能量转换的需求。

虽然近年来基于电磁-摩擦复合式的振动能量收集技术已经取得了一些阶段性的进展，但是其工程化应用依然面临着众多挑战：(1)现有的能源收集装置只有在单一频段且规则振动环境中才有较好的输出，而随机、不规则的环境振动往往输出较低，很难实现不同频段不同方向振动能的高效获取与转换；(2)大多数能源收集装置采用具有较高摩擦阻力和较低灵敏度的滑动结构，对于低频的微弱环境振动响应效果差；如何保证能量收集器在较高功率密度输出的情况下，俘能自由度更广、响应频带更宽，是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种阵列化的电磁-摩擦复合振动能收集装置。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种阵列化的电磁-摩擦复合振动能收集装置，包括：

外壳；

振动能收集机构，所述振动能收集机构包括多个振动能收集单元，多个所述振动能收集单元阵列化排布于所述外壳内，每个所述振动能收集单元包括弹簧拾振单元、电磁发电单元以及摩擦发电单元；

所述弹簧拾振单元包括拾振体和多个弹簧，每个所述弹簧的一端连接于所述拾振体的外表面，另一端连接于所述外壳的内表面；