一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置

1.本发明涉及能量采集领域，具体涉及一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置。


背景技术：

2.随着物联网时代的快速发展，无线传感网络和低功耗电子设备得到了广泛的应用。传统为这些设备提供电能的方式主要有两种，即电池和外接电源线。对于电池的使用，会大大增加这些设备的维护成本，尤其是对于多节点的无线传感网络；外接电源线容易出现线路故障等问题，更会限制传感节点的移动，使其应用效果大大降低。因此，周围环境能量采集在物联网时代有着举足轻重的作用，它能为处于不同环境的节点提供持续稳定的能量输出。
3.在工业生产中，大型设备工作时都会产生较大的振动能量，通过振动能量收集装置将这些振动能量收集起来，并用来给设备关键部位传感节点供电，实时监控设备关键部位工作状况，提高了设备的安全性和生产效率。这些应用在一些特殊的工作环境，例如煤矿等恶劣应用环境下，能够有效为传感器、处理电路以及无线传输电路等供电，从而有效避免人工维护、线路故障等问题，从而显得非常重要。
4.现有的悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置，原理基本都是通过悬臂梁振动实现线圈和磁铁的相对位移，从而感应出电压。这种方式的缺点是电磁发电效率低，而主要靠压电发电无法获得更多能量进行供电。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，提高电磁发电效率，本发明提供了一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置，包括：底座、底板、支架、永磁体、固定架、悬臂梁、压电片、重物、线圈柱、线圈；底座上设有凹槽，底板固定在凹槽内，支架固定在底座上，永磁体贯穿支架，悬臂梁的固定端通过固定架固定在支架的顶部，永磁体连接底板和悬臂梁，压电片设置在悬臂梁的固定端附近，重物固定在悬臂梁的自由端附近，线圈柱竖直地固定在底板上，线圈围绕线圈柱，悬臂梁、底板、线圈柱均为软磁性材料。
6.更进一步地，底板的方向和悬臂梁的方向平行。
7.更进一步地，底板的长度小于悬臂梁的长度。
8.更进一步地，底板上沿设有螺口，线圈柱设置在螺口内。
9.更进一步地，螺口为五个，五个螺口沿底板长度方向分布。
10.更进一步地，线圈柱不与压电片接触。
11.更进一步地，压电片包括第一压电片和第二压电片，第一压电片设置在悬臂梁的上表面，第二压电片设置在悬臂梁的下表面。
12.更进一步地，底座、支架、固定架均为非铁磁材料。
13.更进一步地，在永磁体与底板的接触处，底板的面积大于永磁体的面积。
14.更进一步地，在永磁体与悬臂梁的接触处，悬臂梁的面积大于永磁体的面积。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置，包括：底座、底板、支架、永磁体、固定架、悬臂梁、压电片、重物、线圈柱、线圈；底座上设有凹槽，底板固定在凹槽内，支架固定在底座上，永磁体贯穿支架，悬臂梁的固定端通过固定架固定在支架的顶部，永磁体连接底板和悬臂梁，压电片设置在悬臂梁的固定端附近，重物固定在悬臂梁的自由端附近，线圈柱竖直地固定在底板上，线圈围绕线圈柱，悬臂梁、底板、线圈柱均为软磁性材料。在本发明中，除压电片发电外，永磁体、悬臂梁、底板以及线圈柱构成磁回路，悬臂梁振动控制了该磁回路的通、断，使得线圈中具有大幅度的磁通量变化，在线圈中产生感应电动势或感应电流。本发明充分结合了压电片发电和电磁感应发电，提高了装置的发电效率，更大程度上获得周围环境中的振动能量，也更多地增强了装置的减振效果。传统的电磁发电装置普遍峰值电压偏低，这是由于无论悬浮结构、弹簧结构还是传统梁结构，线圈中的磁通量都是一个逐步变化的过程，而本发明中的磁路开关式的发电结构，能使磁通量在悬臂梁与线圈柱接触、分离瞬间发生剧烈变化，从而获得较大的输出峰值电压和峰值功率。总之，本发明装置能够在一定的频带范围内输出能量，相比于其它电磁发电装置，本发明中的磁路开关式发电装置能够具有更大的峰值电压和峰值功率，在振动能量收集领域具有良好的应用前景。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置的示意图。
18.图2是一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置的立体装配图。
19.图3是本发明中磁回路的结构示意图。
20.图4是本发明加机壳后的结构示意图。
21.图中：1、底座；2、底板；3、支架；4、永磁体；5、紧固螺丝；6、固定架；7、悬臂梁；81、第一压电片；82、第二压电片；9、重物；10、线圈柱；11、线圈。
具体实施方式
22.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
23.实施例1
24.本发明提供了一种磁路开关式悬臂梁结构压电-电磁复合振动发电装置，如图1和图2所示，包括底座1、底板2、支架3、永磁体4、固定架6、悬臂梁7、压电片、重物9、线圈柱10、线圈11。底座1为非铁磁材料，底座1的材料为有机玻璃。底座1上设有凹槽，底板2固定在凹槽内。底板1为软磁性材料，以便于导通磁场线。支架3固定在底座1上。底板2的宽度大于1厘米，小于1.5厘米。支架3的材料为非铁磁材料，支架3的材料为有机玻璃。永磁体4贯穿支架3，永磁体4和支架3的高度相同，也就是说支架3包覆这永磁体4，这样一来，支架3起到支撑悬臂梁7的目的，防止悬臂梁7直接高强度地压迫永磁体4，对永磁体4起到了保护作用。悬臂梁7为软磁性材料。悬臂梁7的固定端通过固定架6固定在支架3的顶部。固定架6为非铁磁材料，固定架6的材料为有机玻璃。永磁体4连接底板1和悬臂梁7。在永磁体4与底板2的接触
处，底板2的面积大于永磁体4的面积，以便于永磁体4产生的磁场线能够更多地耦合进入底板2；当悬臂梁7与线圈柱10接触/断开时，回路中的磁通量发生更多的变化，从而在线圈11中产生更强的感应电动势。在永磁体4与悬臂梁7的接触处，悬臂梁7的面积大于永磁体4的面积，以便于永磁体4产生的磁场线能够更多地耦合进入悬臂梁7；当悬臂梁7与线圈柱10接触/断开时，回路中的磁通量发生更多的变化，从而在线圈11中产生更强的感应电动势。压电片设置在悬臂梁7的固定端附近。压电片包括第一压电片81和第二压电片82，第一压电片81设置在悬臂梁7的上表面，第二压电片82设置在悬臂梁7的下表面，第一压电片81和第二压电片82粘贴电极方向相反。具体地，应用导电银胶将第一压电片81和第二压电片82粘贴在悬臂梁7的上表面和下表面。从第一压电片81和第二压电片82表面通过导电银胶接出两根线径0.15mm的漆包铜线拧成的双绞线用来对外供电。重物9固定在悬臂梁7的自由端附近，重物9的材料为有机玻璃。线圈柱10为软磁性材料。线圈柱10竖直地固定在底板2上，线圈11围绕线圈柱10，也就是线圈11套在线圈柱10上。从线圈11上焊接出两根线径0.15mm的漆包铜线拧成的双绞线用来对外供电。底板2的方向和悬臂梁7的方向平行，底板2的长度小于悬臂梁7的长度，当悬臂梁7振动时，悬臂梁7能够与线圈柱10的顶端接触。当悬臂梁7振动时，线圈柱10不与压电片接触，以防止损伤压电片和产生较小的感应电动势。在本发明中，底板2、线圈柱10、悬臂梁7采用软磁材料，有较好的导磁效果，振动时与永磁体构成磁回路。
25.本发明的目的在于提升振动能量收集装置的发电性能，利用悬臂梁7上下振动实现磁路的通断。磁路导通时，永磁体4形成的磁场绝大部分会束缚在软磁材料构成的磁路中，处于磁路中线圈11的磁通量会处于一个较大值；磁路断开时，软磁材料束缚磁场效果急剧减弱，线圈11中的磁通量会迅速减少。悬臂梁7在振动时就可以在线圈11中形成较大的磁通量变化速率，从而使得线圈中感应出较高电压。同时，悬臂梁7振动带动粘贴在上面的压电片变形，使压电片上产生感应电压。这两方面的效果提升了振动能量收集装置的发电性能。
26.在本发明中，除压电片发电外，如图3所示，永磁体4、悬臂梁7、底板2、线圈柱10构成磁回路，悬臂梁7振动控制了该磁回路的通、断，使得线圈11中具有大幅度的磁通量变化，在线圈11中产生感应电动势或感应电流。本发明充分结合了压电片发电和电磁感应发电，提高了装置的发电效率，更大程度上获得周围环境中的振动能量，也更多地增强了装置的减振效果。传统的电磁发电装置普遍峰值电压偏低，这是由于无论悬浮结构、弹簧结构还是传统梁结构，线圈中的磁通量都是一个逐步变化的过程，而本发明中的磁路开关式的发电结构，能使磁通量在悬臂梁7与线圈柱10接触、分离瞬间发生剧烈变化，从而获得较大的输出峰值电压和峰值功率。总之，本发明装置能够在一定的频带范围内输出能量，相比于其它电磁发电装置，本发明中的磁路开关式发电装置能够具有更大的峰值电压和峰值功率，在振动能量收集领域具有良好的应用前景。
27.具体应用时，在整个发电装置外部设有机壳，机壳的材料为透明亚克力材料，机壳与底座1通过螺丝固定，如图4所示。
28.实施例2
29.在实施例1的基础上，底板2上沿设有螺口，线圈柱10设置在螺口内。螺口为五个，五个螺口沿底板2长度方向分布。线圈柱10的底端设有螺纹，固定在螺口内。应用时，可以将线圈柱10设置在不同的螺口内，从而选择最优的工作频带和发电效率。
30.实施例3
31.在实施例2的基础上，底座1、支架3、固定架6中设有两个贯穿的孔洞，通过两个螺栓和两个紧固螺丝将底座1、支架3、固定架6固定在一起，使得永磁体4、悬臂梁7和底板2能够稳固接触。
32.实施例4
33.在实施例3的基础上，第一压电片81和第二压电片82的材料为陶瓷，上下表面分别镀有一层银作为电极，第一压电片81和第二压电片82的长度为3.8厘米。通过导电银胶将第一压电片81和第二压电片83反向电极粘贴在悬臂梁7上，另一侧电极引出导线可获得第一压电片81和第二压电片82的串联电压。
34.实施例5
35.在实施例4的基础上，线圈柱10的顶面为突出的半球状，对应地，悬臂梁7下表面设有半球形凹槽。一方面，减少了悬臂梁7与线圈柱10接触的时间，从而增加了线圈11中磁通量变化量，提高了线圈11中的感应电动势有效值。
36.更进一步地，经过大量实验表明，悬臂梁7与线圈柱10之间的距离经测试设置为1毫米最佳。如果距离短，悬臂梁7由于线圈柱10的阻挡振动时幅度达不到最大，第一压电片81和第二压电片82的发电效果不佳；距离长，则悬臂梁7振动时无法接触到线圈柱10，电磁发电效果不佳。
37.更进一步地，线圈11应固定在线圈柱10的上方，靠近悬臂梁7与线圈柱10接触的位置。因为该位置在悬臂梁7振动过程中磁通量的变化最大。
38.更进一步地，对于悬臂梁7，与线圈柱10接触处宽，其他地方不宽，以便于增强悬臂梁7与线圈柱10之间的耦合，方便磁场线从悬臂梁7进入线圈柱10，更多地改变线圈11中的磁通量，最终在线圈11中激发出更强的感应电动势。
39.更进一步地，悬臂梁7中设有通孔。当悬臂梁7振动时，线圈柱10的顶端能够从悬臂梁7中穿过一些，线圈柱10与悬臂梁7的接触范围更大，适合振动幅度较大的应用场合，能够将大幅度的振动能量转化为电能。
40.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。