[发明专利]一种二维压电电磁混合式俘能器

说明书

本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，具体涉及一种二维压电电磁混合式俘能器，至少包括压电悬臂梁、磁铁、框架、线圈、圆筒、固定式夹具、弹簧；压电悬臂梁包括第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁，压电悬臂梁的固定端与框架的竖直壁固定连接；压电悬臂梁的自由端与磁铁固定连接；压电悬臂梁和磁铁构成压电式俘能器；所述线圈由漆包线沿着圆筒外壁的右半部分绕制而成；所述圆筒与框架的竖直壁固定连接；所述的固定式夹具、磁铁、弹簧和线圈构成电磁式俘能器。本发明结构简单紧凑、可从两个正交方向收集振动能、能源收集效率高。

技术领域

本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应效应的二维混合式俘能器，适用于微传感器、微执行器、无线收发器、可穿戴电子设备等需从外界环境俘能进行能量补充的低功耗器件。

背景技术

现代电子信息技术和互联网技术的飞速发展促进了各种无线传感器、微型信号发射器、微型信号接收器、可穿戴式电子设备的不断涌现。目前，这些低功耗器件主要依靠电化学电池供电。电池的储能有限，需定期更换或充电。当这些器件工作于某些特殊场合，如偏远山区、森林、沙漠等无电网覆盖的环境时，电池的充电或更换很难实现。即使电池的充电或更换操作可行，但当数量巨大的无线传感器构成网络时(如物联网)，对数量巨大的传感器节点进行充电或更换电池将会耗费巨大的人力和财力。此外，电池中含有多种腐蚀或有毒材料，如酸、铅、镍、锂、铬、碱、汞等，大量使用电池或废旧电池的处理会对环境造成巨大的威胁。如果从器件的工作环境中收集能量，并转换为可供器件使用的电能，这将缓解甚至解决低功耗器件的能源问题。

在各类可收集的能源中，振动能在各类低功耗器件的工作环境中分布非常广泛，因而现有的各类微小型俘能器主要以振动能作为收集对象，并将其转化为可供低功耗器件使用的电能。典型的压电式俘能器如Li Haitao,Qin Weiyang,Lan Chunbo,DengWangzheng,Zhou Zhiyong在《Smart Materials and Structures》25(2016)：015001撰文“Dynamics and coherence resonance oftri-stable energy harvesting system”(“三稳态能源收集系统的动力学与相干共振”《智能材料与结构》)。该文通过在压电悬臂梁自由端的振动方向对称的布置两个磁铁，并与压电悬臂梁末端的磁铁形成磁性斥力耦合，从而使压电悬臂梁产生非线性振动并具备三个稳态位置，从而提高俘能器的工作带宽。

典型的电磁式微小型俘能器如Abu Raihan Mohammad Siddique,Shohel Mahmud,Bill Van Heyst在《Energy Conversion and Management》133(2017)：399-410撰文“Energy conversionby‘T-shaped’cantilever type electromagnetic vibration basedmicro power generation from low frequency vibration soures”(“基于T形悬臂梁类型的电磁振动从低频振动源中实现能源转换的微功率发电机”《能源转换与管理》)。该文通过将线圈固定在T形悬臂梁的自由端，并在线圈的两侧对称布置两块磁铁构成电磁式发电机。工作中，悬臂梁在外界振动的激励下带动线圈振动，导致线圈与磁铁间产生相对运动，从而利用电磁感应原理将振动能转换为电能。