[发明专利]压电及电磁混合变频微发电装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境中振动能量采集的小型化设备及方法应用，尤其适用于工作频率变化较大的环境能量收集，适合于与传感器应用的集成。

背景技术

传感器网络技术作为一种新兴的监测技术，在生产生活中具有广泛的应用。对于传感器网络，尤其是无线传感网络，能量供应对其影响很大，一般采用电池供电。然而工程中无线传感器网络节点常常由于监测位置原因，电池的更换有时非常困难，而电池的使用寿命有限。因此，为了实现整个传感器网络的长期有效的工作，延长无线传感器网络应用寿命和降低成本，为无线传感器网络提供足够的、长期的能量是首先需要面对的。有效的方法是收集传感器网络周围环境中的能量，并加以储存为无线传感器网络提供能量。

无线传感器网络的使用场合中存在许多形式的机械振动能，利用压电材料作为“能量采集”的功能元件，可以将环境中的机械振动能转换为电能，实现振动能量采收，来替代传统供能方式，为无线传感器网络的工作提供能源。电磁感应是通过磁场和其中导体的相对运动来产生电流。利用电磁感应进行振动能量回收的基本思想是：用永磁体、一个线圈以及一个谐振的悬臂梁产生电磁感应，将感应到的电能用适当的电路提取。

压电能量收集一般采用压电振子结构，当外在激振频率等于压电振子的固有频率时，即处于谐振状态时，压电材料产生最大变形，发电效果最佳，输出电压或电荷量最大。然而在实际应用环境中，环境振动，如机械设备振动往往是变化的，即外在工作频率是随着时间是变动的，存在压电振子固有频率与外在激振频率处于非谐振问题。压电材料对于频率的变化非常敏感，即使外界频率与压电振子固有频率相差较小，其变形将迅速减小，发电能力迅速降低。普通的压电能量收集装置由于结构的原因，其频率变化范围较小，难以适应外界环境变化。

由于微发电技术产生的电量较小，若在有限的小空间内采用混合的能量收集装置，能够有效地增大装置的发电能力。因此，需要设计一种谐振频率可调的压电及电磁混合微发电装置，该装置具有较大的能量输出能力，较大的频率调节范围，能够适应不同的工作环境，在不同的工作条件下均能谐振，实现能量收集的最大化。该装置可与后续的传感器集成，经过处理的电能为传感器节点提供能源，实现传感器节点的自发电。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电及电磁混合变频微发电装置，将环境中的机械振动能转换为电能，实现振动能量采收，来替代传统供能方式，为无线传感器网络的工作提供能源。

本发明的压电及电磁混合变频微发电装置由压电振子、永磁体、线圈、支撑板、固定滑块、侧梁、活动滑块构成。本装置通过支撑板与外部机构固定在一起，实现共同振动。侧梁的作用是承载滑块的滑动。滑块与两压电振子一端连接，作用是使压电振子能够随滑块移动。两压电振子的另一端与永磁体连接。线圈固定在支撑板上。

所述压电振子由压电层与中性层组成。中性层采用可导电的金属薄板，如青铜薄板；压电层为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅或复合压电材料PVDF薄膜，分布在金属薄板上下端面，可以为一层或多层。压电层与压电层之间、压电层与金属薄板之间通过导电胶粘接。

所述永磁体的材料为铁铷硼；所述线圈材料为漆包铜线。所述活动滑块、固定滑块、支撑板、侧梁的材料可以采用硬质塑料、铝或者不锈钢，根据工作环境频率高低来选定。

有益效果：工作环境的振动带动微发电装置的振动，压电振子在应力作用下产生电荷，实现机械能与电能的转换；永磁体的振动，使得其相对于线圈的距离不断变化，通过线圈的磁通量改变，产生感应电荷。压电及电磁微发电装置产生的电荷经后续电路处理，可为传感器节点供电。活动滑块在侧梁上的滑动，能够改变两压电振子跨距，从而改变系统刚度。跨距的精确调节保证了固有频率能够在较大范围内变化，实现变频率工作条件下发电能力的最优化。

附图说明

图1：压电及电磁混合变频微发电装置视图

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明作进一步详述。