[发明专利]一种非线性压电‑电磁复合式宽频带俘能器

说明书

技术领域

本发明涉及非线性压电-电磁复合式俘能器技术领域，尤其涉及一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器。

背景技术

随着微系统技术的发展，各型微器件的应用领域和应用范围愈发广泛，特别在密闭、旋转及空间尺寸相对有限的应用环境中，由于系统尺寸的限制以及传统电池自持电能有限、连线方式供能环境适应性差等问题，致使传统供能方式无法满足与微器件集成的供能新需求。因此，可以长时工作、占用工作空间小、环境适应性强的俘能技术成为近年来微能源领域的研究热点。

俘能技术实现将环境中的振动能、热能、电磁能量转化为电能供给低功耗器件工作，以替换传统供能方式或延长电池电能。由于振动能无处不在、无时不有，因此，将器件环境中的振动能量转化为电能的振动俘能技术是其中应用最广泛且最具前景的技术之一。现阶段，振动俘能技术主要包括三类，分别是基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器及基于电容原理的静电式俘能器。三种类型的俘能器都有其各自不同的特点，压电式俘能器的输出电压较大，但内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安到几十微安，最佳负载一般达到几十kΩ到1MΩ；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压只有几十到几百毫伏，最佳负载通常为几十到几百欧姆；静电式俘能器则需要驻极体或开启电压才可正常工作，同样存在输出电流较小的问题。因此，基于单一机理的振动俘能器无法同时输出较大电压和较大电流，并且最佳负载的应用范围也相对受限，所以需在同一结构上同时集成两种或多种俘能机理，以实现更广泛的应用效果。

另一方面，振动俘能器应用环境中的工作频率往往以低频振动为主，大都小于200Hz，并且振动俘能器的输出电能与振动频率成反比，振动频率越低、输出能量越低。因此，振动俘能器需要解决低频工作环境中输出电能较小的问题。此外，振动俘能器工作环境中的振动通常分布在一定的频带范围内的随机振动，为提高俘能器在实际应用环境中的应用能力，需要拓宽俘能器的工作带宽，以覆盖较宽的工作振动频率，提高俘能效率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，用以解决现有技术中振动俘能器在低频振动环境中应用时因工作频率低引起输出能量小以及俘能频带窄、输出电压和电流大小不均匀、负载应用范围小的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器，主要包括低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈，所述低频压电复合梁的一端与所述动磁体的一端相串连，所述高频压电复合梁位于所述低频压电复合梁与所述动磁体的上方，所述线圈位于所述动磁体的下方，所述静磁体固定于所述动磁体另一端的一侧，所述静磁体与所述动磁体另一端平行放置。

本发明通过将低频压电复合梁、高频压电复合梁和线圈同时集成在同一结构上，实现压电-电磁复合式俘能，俘能器同时输出较大的电压和电流、拓展最佳负载应用范围，同时，本发明通过动磁体与静磁体之间的非线性磁力作用，实现低频压电复合梁、高频压电复合梁、线圈在宽频带范围俘能。

进一步的，所述非线性压电-电磁复合式宽频带俘能器还包括边框固定结构，所述低频压电复合梁、高频压电复合梁、动磁体、静磁体和线圈均固定在所述边框固定结构上。

本发明边框固定结构内部用于安装固定俘能器，将俘能器结构与外界环境隔离以保护俘能结构。

进一步的，所述边框固定结构为长方体结构，长、宽、高尺寸范围可分别为10mm～30mm、10mm～30mm、2mm～30mm。

进一步的，所述边框固定结构的材质为塑料或陶瓷。

本发明边框固定结构的材质选择为塑料或陶瓷，能够防止俘能器中的磁体与外界环境中的铁性材料发生作用力。

进一步的，所述低频压电复合梁的一端固定于所述边框固定结构的内壁，另一端与所述动磁体相连。

本发明低频压电复合梁的一端固定于边框固定结构上，将低频压电复合梁形成单悬臂梁结构形式，低频压电复合梁的另一端与动磁体相连，通过动磁体降低、调节低频压电复合梁的固有频率，以适应所应用的振动环境。

进一步的，所述低频压电复合梁为长方体、梯形或弓形多层复合结构，自上而下依次为上电极层、压电层、下电极层、低频支撑梁。

本发明上电极层用于外接正极导线，压电层在外激励作用下产生正负电荷，下电极层用于外接负极导线，上电极层、压电层、下电极层通过粘结方式固定于低频支撑梁上，以提高压电层的可靠性，防止单独使用压电材料时出现断裂、破裂等失效特征。