[发明专利]一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置

说明书

本发明公开了一种多层多自由度压电‑电磁复合振动俘能装置，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层压电电磁复合振动俘能支路，平面向俘能机构包括第二层压电电磁复合振动俘能支路，纵向俘能机构用于俘获竖直纵向的振动能量，第二层压电电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上振动能量。实现多自由度的振动能量转换和俘能，提高了能量转换效率和俘能效果，具有更高的环境适应性。

技术领域

本发明涉及能量采集技术领域，具体涉及一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置。

背景技术

近些年，对于科学技术的快速发展促进了微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、无线传感器网络(WSN)以及低功耗嵌入式技术极速发展，并以低功耗、分布式、低成本及自组织的优点给传统的信息感知技术带来了技术性的变革。但是常规的化学电池供电方式由于具有寿命短、需频繁定期更换且易造成环境污染等问题，已经不适应高速发展的信息革新技术。而能够将环境中的振动激励等转化为可利用电能，并减小对外部电源依赖的自供能方式吸引了国内外众多学者的广泛关注，并成为当前的研究热点。

目前基于静电、压电和电磁等俘能机理而制成的振动俘能装置是最常见俘能器。基于压电材料的振动俘能器(Piezoelectric Vibration Energy Harvester,PVEH)具有高能量密度、环保性好及易与微机电系统集成等优势而被广泛研究。专利(CN203951386U)设计出一种可宽频、单自由度的微型压电振动能量俘能器，仅能俘获单自由度上的振动能。而电磁式振动俘能装置(Electromagnetic Vibration Energy Harvester,EVEH)基本都采用非接触式的工作方式，且其阻尼相对较小。专利(CN106160396A)提出了一种可旋转磁铁的电磁振动俘能器。但是也存在基于单一转换机理的振动俘能装置对环境中振动能量的收集和转换效率有限的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，实现多自由度的振动能量转换和俘能，提高了能量转换效率和俘能效果，具有更高的环境适应性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种多层多自由度压电-电磁复合振动俘能装置，包括支架，支架上叠层布置有纵向俘能机构和平面向俘能机构，纵向俘能机构包括第一层压电电磁复合振动俘能支路、第三层压电电磁复合振动俘能支路和立柱，第一层压电电磁复合振动俘能支路和第三层压电电磁复合振动俘能支路分别设置于立柱的上端和下端，平面向俘能机构包括第二层压电电磁复合振动俘能支路，纵向俘能机构用于俘获竖直纵向的振动能量，第二层压电电磁复合振动俘能支路用于俘获与竖直纵向相垂直的平面上振动能量。

按照上述技术方案，支架为框型支架，第一层压电电磁复合振动俘能支路、第二层压电电磁复合振动俘能支路和第三层压电电磁复合振动俘能支路由上至下依次布置于框型支架内。

按照上述技术方案，第一层压电电磁复合振动俘能支路和第三层压电电磁复合振动俘能支路的结构相同，均包括十字形固支粱，十字形固支梁的四个端部分别与支架铰接，十字形固支梁四端的上下表面均安设有压电片，立柱的上端面和下端面均设有第一永磁体，两个第一永磁体的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈。

按照上述技术方案，十字形固支梁由四个单根固支梁以立柱为中心沿周向水平均匀分布构成。

按照上述技术方案，与第一永磁铁相对应的线圈分别固设于支架的顶板和底板上。

按照上述技术方案，第二层压电电磁复合振动俘能支路包括方框形固支梁，方框形固支梁每一边的内外两侧均布置有第二永磁铁，方框形固支梁每一边的两端均与支架铰接，方框形固支梁每一边布置的两个第二永磁铁的正对面均固设有线圈，形成一对成对布置的线圈，方框形固支梁每一边的内外两侧均设有压电片。