[实用新型]一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置

说明书

技术领域

本实用新型属于新型能源和电子技术领域，特别涉及一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置。

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，并由此而造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找和开发新型能源的探索，比如太阳能、风能、波浪能等。振动作为日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的研究者的关注。目前，用于实现振动能量收集的装置主要有压电式、电磁式和静电式三种。对于这三种能量收集技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成振动能量收集装置的各元器件的寿命，清洁环保，是一种典型的“绿色”能源技术。

基于此，目前出现了各种样式的振动能量收集装置，如以压电材料为基础的悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，还有以电磁学为基础的动圈式、动铁式结构等，以及以电子学理论为基础的驻极体式结构等。纵观振动能量收集技术的研究现状，上述振动能量收集装置收集的振动能量主要是单方向的，其使用场合对环境振动方向的选择性很强，在存在各种方向随机振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有限，限制了其大众化的推广使用。

因此急需一种收集效率高，并能对多个方向振动能量进行收集的装置，目前所提出的一种比较新颖的多方向压电振动能量收集装置为一立方体状结构，其能量收集使用的是Rainbow型压电换能结构，具体见论文：Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析，航空学报，2011, 32(3)，该立方体状结构通过rainbow型压电换能结构结合万向柔性铰链实现对多方向振动能量的收集，但是该结构的缺点是：（1）rainbow型压电换能结构中压电材料为PVDF，而PVDF压电性较小，导致能量收集效果差；（2）万向柔性铰链的尺寸较小，导致万向柔性铰链的加工困难，加工成本上升且实现困难。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，其可弥补现有振动能量收集技术中振动能量收集装置只能敏感某个固定方向振动、能量收集效率低等缺陷，其无论振动方向如何变化，都能够较高效率的收集到振动能量。

本实用新型为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置，包括圆筒状外壳、挡环、环状永磁体、圆柱状金属质量块、线圈和至少两个万向角节型压电换能器，所述环状永磁体置于圆筒状外壳外表面，所述环状永磁体两端分别通过圆筒状外壳的环状凸肩和挡环固定，所述圆柱状金属质量块置于圆筒状外壳中心，所述万向角节型压电换能器绕圆柱状金属质量块一周，呈中心对称分布，所述圆柱状金属质量块通过万向角节型压电换能器与圆筒状外壳相连接；所述圆柱状金属质量块外表面开设有凹槽，所述线圈布置于凹槽内；所述万向角节型压电换能器由两个角形弹性金属薄片、刚性块及压电片组成，所述两个角形弹性金属薄片一端相连，两个角形弹性金属薄片相连端互相垂直，所述两个角形弹性金属薄片另一端分别接圆柱状金属质量块外壁和圆筒状外壳内壁，所述刚性块固定于角形弹性金属薄片的弯角处，所述压电片分别粘贴于角形弹性金属薄片的上、下两个表面，所述上层压电片和下层压电片的极化方向相反。

作为本实用新型的进一步改进，所述圆柱状金属质量块中部通过万向角节型压电换能器与圆筒状外壳相连接，为保持受力平衡，万向角节型压电换能器最好安装在圆柱状金属质量块中部。

作为本实用新型的进一步改进，所述万向角节型压电换能器的数量为2n个，n为正整数，为了保持稳定万向角节型压电换能器的数量最好为偶数。

作为本实用新型的进一步改进，所述角形弹性金属薄片中弯角的角度可以在0°至180°之间变化，本实用新型弯角可根据需要设计成不同的角度。

作为本实用新型的进一步改进，所述压电片为矩形形状，且沿厚度方向极化，虽然本实用新型压电片可沿不同方向极化，但是沿厚度方向极化后换能效果最佳。

作为本实用新型的进一步改进，所述压电片材料为压电陶瓷，压电陶瓷压电性较高，本实用新型使用压电陶瓷作为压电材料可大大提高装置的能量收集效果。