專利名稱：一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能把機械振動能轉換成電能并進行采集的技術，尤其涉及一種采用壓磁/ 壓電復合換能結構的振動能量采集器。
技術背景電子產品不斷向微型化的方向發(fā)展，藍牙技術和低功耗通訊標準(如Zigbee和 IEEE802.15.4)的發(fā)展很大程度上推動了無線傳感網(wǎng)絡和通訊節(jié)點的研究，微機電系統(tǒng)由于具 有能耗低、體積小、功能大、可批量生產等特點也正在迅速發(fā)展。但是，不管是無線傳感產 品還是微機電器件，供電問題正成為它們發(fā)展的一個很大障礙。原因是目前給這些系統(tǒng)供 電的手段主要依靠電池或電力線，電池、電力線供電有以下幾個缺點電池壽命短，存儲能 量有限，在某些應用中更換電池成本高，而在有些環(huán)境中無法使用有線方式供電。由于能量采集器可以把環(huán)境中存在的能量轉換成電能，從而成為一種可代替電池和可自 我維持的新型電源，正受到越來越廣泛的重視。太陽能、熱能和振動能是環(huán)境中最普通的三 種能源。由于環(huán)境中的振動能量無處不在，振動能量采集器成為可自我維持電源研究中的一大熱點，它的工作方式主要有三種電磁式、靜電式和壓電式。電磁式能量采集裝置主要包 括永磁體、繞線組、運動腔體，其中繞線組纏繞在運動腔體外壁，永磁體在運動腔體內往 復運動，與繞線組產生相對運動，通過切割磁力線在繞線組內產生感應電流，如中國發(fā)明專利CN1877973A、 CN101075773A、 CN201068842Y、 CN1652440A、 CN1604436A、 CN2617073Y、 CN101185230A、 CN101110545A、 CN1603155A等，這類專利中，永磁體和腔體間通常安裝 了滑軌、軸承等運動傳送裝置，體積大，主要適用于強振動能量轉換場合。靜電式能量采集 裝置主要包括由懸臂梁和質量塊組成的動極板、定極板、駐極體、處理電路組成，動極板在 振動加速度作用下相對于定極板產生相對偏移，不同結構的裝置可能產生可變電容極板遮蓋 面積變化，或引起電容極板間的距離發(fā)生變化，從而使極板上的極化電荷在兩個電容極板間 轉移形成電流，經濾波和整流后輸出，如中國發(fā)明專利CN1547312A、美國專利US7112911B2， 這類靜電式振動能量采集器若不采用駐極體作電介質，在開始工作時需要一個外界電壓驅動。 壓電式能量采集裝置主要包括粘貼有壓電片的懸臂梁，或者直接用壓電片構成的懸臂梁， 一個產生慣性力的質量塊；通過質量塊振動產生慣性力，作用到懸臂梁上產生交變應力，利 用壓電片的壓電效應，產生電輸出，如中國發(fā)明專利CN2834010Y、 CN201054553Y、 CN101017989A、美國專利US7345407B2、 US7414351B2。 發(fā)明內容本發(fā)明公開了一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，它包括支撐機構、 壓磁/壓電復合磁電換能器、永磁體磁路、彈性機構；其中，壓磁/壓電復合磁電換能器處于永磁體磁路的氣隙磁場空間內；壓磁/壓電復合磁電換能器和永磁體磁路中的一者通過彈性機構 與支撐機構彈性連接，并可隨彈性機構作往復運動，另一者固定在支撐機構的底座上；艮P: 或者壓磁/壓電復合磁電換能器固定在底座上，永磁體磁路通過彈性機構與支撐機構連接；或 者永磁體磁路通過非導磁材料固定在底座上，壓磁/壓電復合磁電換能器通過彈性機構與支撐 機構連接。彈性機構感受自供能裝置外部環(huán)境振動，使磁電換能器與永磁體磁路在外部振動 激勵時產生相對運動，當永磁體磁路和磁電換能器產生相對運動時，磁電換能器感受永磁鐵 提供的變化磁場，該變化磁場誘發(fā)磁電換能器中的壓磁相發(fā)生相應形變，該形變傳遞到換能 器中的壓電相，由于壓電材料的壓電效應產生電輸出，從而實現(xiàn)機-磁-電轉換。所述的壓磁/壓電復合磁電換能器，包括層合換能結構、筋板；振動自供能裝置中的各 個層合換能結構間相隔一定距離，并通過筋板連接；筋板的一端或者兩端，與彈性機構或者 底座連接。所述的層合換能結構為壓磁材料和壓電材料交替疊放的多層結構；層合換能結構或者成 塊狀，或者成環(huán)狀；所述筋板或者成板狀，或者成圓弧柱面，分別對應塊狀和環(huán)狀的層合換 能結構。所述的彈性機構的兩種典型結構，它們的結構及其與其它器件的對應關系如下1) 所述的彈性機構為板狀的彈性懸臂梁，支撐機構為"L"型，彈性懸臂梁一端固定在"L" 型支撐機構的垂直支架上，彈性懸臂梁另一端與壓磁/壓電復合磁電換能器或永磁體磁路固定 連接。2) 所述的彈性機構由彈簧與水平連接板連接構成；支撐機構為"匚"型；"匚"型支撐機構 上下兩側內表面分別通過彈簧及連接板與壓磁/壓電復合磁電換能器或永磁體磁路上下兩端 彈性連接。永磁體磁路也可以由多種結構構成，不同結構永磁體磁路對應的器件也不同所述永磁體磁路，或者由單邊叉指狀磁體構成；或者由相對稱的兩個叉指狀磁體叉指相 對放置構成；或者由柱狀磁體和環(huán)狀磁體相結合構成。所述的柱狀磁體由若干個圓形磁體通過相同形狀的非導磁分隔層連接而成，所述的環(huán)狀 磁體由若干個環(huán)形磁體通過相同形狀的非導磁分隔層連接而成；單邊叉指狀磁體結構的永磁 體磁路和兩個叉指狀磁體結構的永磁體磁路對應塊狀層合換能結構，層合換能結構在單邊或 兩個叉指狀永磁體磁路的氣隙磁場空間內往復運動；柱狀磁體和環(huán)狀磁體結構的永磁體磁路 對應環(huán)狀的層合換能結構，環(huán)狀的層合換能結構在柱狀磁體和環(huán)狀磁體之間的空隙內沿軸向 往復運動；兩兩相鄰層合換能結構間間距與永磁體磁路上相鄰的兩個永磁體間間距相同。本發(fā)明的有益技術效果是提供了一種適用于微弱振動的、磁電轉化效率較高的自供能 裝置。
圖1、采用"L"型支撐機構和彈性懸臂梁相搭配，壓磁/壓電復合磁電換能器固定在支撐機 構底座上時的裝置結構；圖2、采用"L"型支撐機構和彈性懸臂梁相搭配，永磁體磁路固定在支撐機構底座上時的 裝置結構；圖3、采用"L"型支撐機構和彈性懸臂梁相搭配，永磁體磁路采用單邊叉指狀磁體結構時 的裝置結構；圖4、采用"匚"型支撐機構，永磁體磁路與彈簧連接時的裝置結構；圖5、采用"匚"型支撐機構，壓磁/壓電復合磁電換能器與彈簧連接時的裝置結構；圖6、單個塊狀層合換能結構的結構示意圖；圖7、單個環(huán)狀層合換能結構的結構示意圖；圖8、柱狀磁體和環(huán)狀磁體結構的永磁體磁路與環(huán)狀層合換能結構構成的壓磁/壓電復合 磁電換能器相搭配時的示意圖；附圖中支撐機構l、支架l-l、底座l-2、彈性機構2、彈性懸臂梁2-l、彈簧2-2、連 接板2-3、壓磁/壓電復合磁電換能器3、層合換能結構3-l、筋板3-2、永磁體磁路4、柱狀磁 體4-l、環(huán)狀磁體4-2、非導磁分隔層4-3、非導磁材料5。
具體實施方式
本發(fā)明的裝置可分為兩部分支撐機構1和振動自供能裝置。壓磁/壓電復合磁電換能器3、永磁體磁路4和彈性機構2三者共同構成了振動自供能裝 置；其中壓磁/壓電復合磁電換能器3又由層合換能結構3-1和筋板3-2組成。振動自供能裝置受到外部振動激勵時，彈性機構2在慣性力作用下產生振動，帶動壓磁/ 壓電復合磁電換能器3或永磁體磁路4運動，使得永磁體磁路4的磁場和壓磁/壓電復合磁電 換能器3之間產生相對運動，造成施加到壓磁/壓電復合磁電換能器3的磁場也發(fā)生變化，在 壓磁/壓電復合磁電換能器3上產生電輸出。前述的壓磁/壓電復合磁電換能器3中的層合換能結構3-1由壓磁/壓電塊體材料復合構 成，層合換能結構3-l橫切面的形狀可以是塊狀，也可以是環(huán)狀，塊狀的層合換能結構3-l， 對應板狀筋板3-2和叉指狀的永磁體磁路4;環(huán)狀的層合換能結構3-1，對應圓弧柱面筋板3-2 和柱狀磁體4-l、環(huán)狀磁體4-2結構的永磁體磁路4。其中，層合換能結構3-1為壓磁材料和 壓電材料交替疊放的多層結構；附圖中給出的三層結構的層合換能結構3-1是本發(fā)明的一個 具體的實施例；壓磁/壓電復合磁電換能器3的壓磁相隨著所感受磁場的變化而發(fā)生形變，該 形變傳遞到層合換能結構3-1中的壓電材料中，壓電相也發(fā)生相應形變，并由于壓電效應產 生電輸出。壓磁/壓電復合材料主要有兩種結構 一是顆?；旌辖Y構， 一是塊體層合結構，由 于塊體層合結構的磁電效應大于顆?；旌辖Y構，且塊體層合結構在結構和制備方法上都比較 簡單，故本發(fā)明選擇壓磁/壓電層疊復合結構來制作層合換能結構3-1。層合換能結構3-1的形狀和結構參見附圖6、 7。當然，為了使壓磁/壓電復合磁電換能器3轉換效率較高，永磁體磁路4提供的磁場應該 滿足壓磁/壓電復合磁電換能器3的磁場工作點和動態(tài)范圍要求。綜上所述，本發(fā)明通過彈性機構感受振動自供能裝置外部振動，并通過彈性機構使壓磁/ 壓電復合磁電換能器3與永磁體磁路4在受到外部振動激勵時產生相對運動，相對運動過程 中，永磁體磁路4施加到壓磁/壓電復合磁電換能器3的磁場發(fā)生變化，變化磁場誘發(fā)壓磁/ 壓電復合磁電換能器3中的壓磁相發(fā)生形變，該形變傳遞到層合換能結構3-1中的壓電相， 由于壓電材料的壓電效應產生電輸出，從而實現(xiàn)"機械能-磁能-電能"的轉換。實施例1:參見附圖l，如圖所示，本例中采用的器件包括"L"型支撐機構1、板狀的彈性懸臂梁2- 1、塊狀層合換能結構3-l和板狀筋板3-2組成的壓磁/壓電復合磁電換能器3、相對稱的兩 個叉指狀永磁體磁路4，其叉指相對放置，兩個叉指狀永磁體磁路4的上端固定在彈性懸臂 梁2-l下側的一端，彈性懸臂梁2-l的另一端固定在"L"型支撐機構1的支架1-1上，壓磁/壓 電復合磁電換能器3通過筋板3-2連接并通過筋板3-2固定在"L"型支撐機構1底座1-2上， 并且壓磁/壓電復合磁電換能器3放置在兩個叉指狀永磁體磁路4之間的氣隙磁場空間中。永磁體磁路4的叉指間有一定空隙，空隙在z軸方向的大小與叉指尺寸，以及永磁體磁 路4在y軸方向的氣隙長度有關，層合換能結構3-1與永磁體磁路4存在相對運動時能獲得 到較大的磁感應強度變化量。上述永磁體磁路4和彈性懸臂梁2-l連接在一起，成為一個整體。這樣，彈性懸臂梁2-l 在外部振動激勵下運動時，會帶動永磁體磁路4 一起沿z軸往復運動。層合換能結構3-1的上下兩層均為壓磁材料，中間層為壓電材料，壓磁材料層的極化方 向為y方向。設計時，各個層合換能結構3-l間的間距與叉指狀永磁體磁路4中各個叉指間 的間距一致，當永磁體磁路4與層合換能結構3-1沿z軸相對運動時，使層合換能結構3-l 中的壓磁層處于永磁體磁路4中各層磁鐵的磁極面所對應氣隙空間時，壓磁層感受的磁感應 強度強，壓磁層沿y軸方向的伸縮量大，但壓磁層偏移磁鐵磁極面所對應的氣隙空間時，磁 感應強度變弱，伸縮量減小，這樣，當彈性懸臂梁2-l帶動永磁體磁路4與層合換能結構3-l 產生往復相對運動時，層合換能結構3-l中的壓磁層由于感受y軸方向強弱交替變化的磁場， 將沿極化方向y軸產生伸縮變形，該形變通過粘接層傳遞到壓電層，壓電層由于壓電效應而 產生電場，從而實現(xiàn)磁電轉換。上述層合換能結構3-l由于極化方向和主要形變方向為y軸，因此，固定層合換能結構3- 1的筋板3-2沿x軸方向設置，即布置在層合結構沿y方向振動的波節(jié)面上，這樣對層合結 構沿y方向的形變影響較小，且筋板3-2是非導磁材料加工而成。實例2:參見附圖2，它與實施例1不同之處在于引入非導磁材料5用于兩個叉指狀永磁體磁 路4下端與底座1-2的連接；與彈性懸臂梁2-1固定連接的是壓磁/壓電復合磁電換能器3，壓磁/壓電復合磁電換能器3的筋板3-2上端固定在彈性懸臂梁2-1下側的一邊。當彈性懸臂梁2-1帶動層合換能結構3-1與永磁體磁路4產生往復相對運動時，層合換 能結構3-l中的壓磁層由于進入不同磁感應強度區(qū)域，沿極化方向y軸產生伸縮變形，此機 械運動通過粘接層傳遞到壓電層，壓電層由于壓電效應而產生電場，從而實現(xiàn)磁電轉換。 實施例3:參見附圖3，本例結構與實施例1不同之處在于將兩個叉指狀永磁體磁路4換成了單邊叉指狀永磁體磁路4;當受到外部振動激勵時，彈性懸臂梁2-l帶動單邊叉指狀永磁體磁路4作往復運動，機磁電轉換原理與實施例1相同。實施例4:參見附圖4，本例中采用的器件包括"匚"型支撐機構l、彈簧2-2、連接板2-3、塊狀層 合換能結構3-1和板狀筋板3-2組成的壓磁/壓電復合磁電換能器3，相對稱的兩個叉指狀永 磁體磁路4，其叉指相對放置；壓磁/壓電復合磁電換能器3通過筋板3-2固定在"匚"型支撐 機構1底座1-2上，兩個叉指狀永磁體磁路4的上端分別連接在連接板2-3的兩邊，連接板2- 3的上端通過彈簧2-2與"匚"型支撐機構1頂部彈性連接，兩個叉指狀永磁體磁路4的下端 通過彈簧2-2與"匚"型支撐機構1的底座1-2彈性連接。本實施例與實施例1的區(qū)別就在于彈性機構2與支撐機構1的不同。其原理和工作過程 與實施例1相同。根據(jù)不同的應用場合，彈性機構2可以選擇其它的彈性結構，并不局限于彈簧和懸臂梁， 支撐機構1也可以有其它形狀，并不局限于"匚"型和"L"型。 實施例5:參見附圖5，本實施例與實施例4的不同在于兩個叉指狀永磁體磁路4通過非導磁材料5 固定在支撐機構1的底座1-2上，而壓磁/壓電復合磁電換能器3的筋板3-2的上下兩端分別 通過連接板2-3及彈簧2-2與"匚"型支撐機構1頂部及底座1-2彈性連接；由彈性機構2帶動 壓磁/壓電復合磁電換能器3沿z軸往復運動。實施例6:本實施例采用了不同形狀的磁體構成磁路，及不同形狀和極化方向的壓磁和 壓電層構成層合換能結構。附圖8是柱狀磁體4-l、環(huán)狀磁體4-2、.非導磁分隔層4-3、環(huán)狀層合換能結構3-l、筋板3- 2沿中軸面剖開后的剖面圖。本實施例中的永磁體磁路4是由一系列的環(huán)狀磁體4-2和居于環(huán)狀磁體中心的柱狀磁體4- 1組成，其中，環(huán)狀磁體4-2的磁極面分別在內圈和外圈表面。柱狀磁體4-l的磁極在中心部分和外圈，并且柱狀磁體4-l外圈磁極面和環(huán)狀磁體4-2相對，磁極相異，且通過非導磁分隔層4-3使環(huán)狀磁體4-2和柱狀磁體4-1保持相對靜止。環(huán)狀層合換能結構3-1及筋板3-2 置于環(huán)狀磁體4-2和柱狀磁體4-1之間，層合換能結構3-1中單個換能器間的間距與永磁體磁 路4中各單個環(huán)狀磁體4-2及柱狀磁體4-1的間距一致。本實施例中壓磁層的極化方向和主振方向均是沿徑向，因此，固定筋板3-2在層合換能 結構3-1波節(jié)面上是一個圓弧柱面。本實施例中，可將環(huán)狀磁體4-2和柱狀磁體4-l與彈性結構2連接在一起，而環(huán)狀層合 換能結構3-1通過筋板3-2固定在支撐機構1的底座1-2上，當由環(huán)狀磁體4-2和柱狀磁體4-i 組成的永磁體磁路4在外部慣性力激勵下與層合換能結構3-1產生相對運動時，層合換能結 構3-1中的壓磁層由于進入不同磁感應強度的區(qū)域，沿徑向產生伸縮變形，此形變通過粘接 層傳遞到壓電層，壓電層由于壓電效應而產生電場，從而實現(xiàn)機-磁-電轉換。同樣，本實施 例也可將環(huán)狀層合換能結構3-1通過筋板3-2與彈性機構2連接在一起，而將環(huán)狀磁體4-2和 柱狀磁體4-1通過非導磁材料5固定在支撐機構1的底座1-2上實現(xiàn)振動能到電能的轉換。
權利要求
1、一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其特征在于它包括支撐機構(1)、壓磁/壓電復合磁電換能器(3)、永磁體磁路(4)、彈性機構(2)；其中，壓磁/壓電復合磁電換能器(3)處于永磁體磁路(4)的氣隙磁場空間內；壓磁/壓電復合磁電換能器(3)和永磁體磁路(4)中的一者通過彈性機構(2)與支撐機構(1)連接，并可隨彈性機構(2)作往復運動，另一者固定在支撐機構(1)的底座(1-2)上，即或者壓磁/壓電復合磁電換能器(3)固定在底座(1-2)上，永磁體磁路(4)通過彈性機構(2)與支撐機構(1)連接；或者永磁體磁路(4)通過非導磁材料(5)固定在底座(1-2)上，壓磁/壓電復合磁電換能器(3)通過彈性機構(2)與支撐機構(1)連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其特征 在于所述的壓磁/壓電復合磁電換能器(3)，包括層合換能結構(3-1)、筋板(3-2);各個層合換能結構(3-1)間相隔一定距離，并通過筋板(3-2)連接；筋板(3-2)的一端或 者兩端，與彈性機構(2)或者底座(1-2)連接。
3、 根據(jù)權利要求2所述的一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其特征 在于所述的層合換能結構(3-1)為壓磁材料和壓電材料交替疊放的多層結構；層合換能結 構(3-1)或者成塊狀，或者成環(huán)狀；所述筋板(3-2)或者成板狀，或者成圓弧柱面，分別 對應塊狀和環(huán)狀的層合換能結構(3-1)。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其特征 在于所述的彈性機構(2)為板狀的彈性懸臂梁(2-1)，所述的支撐機構(1)為"L"型， 彈性懸臂梁(2-1) —端固定在"L"型支撐機構(1)的垂直支架(1-1)上，彈性懸臂梁(2-1) 另一端與壓磁/壓電復合磁電換能器(3)或永磁體磁路(4)固定連接。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其特征 在于所述的彈性機構(2)由彈簧(2-2)與水平連接板(2-3)連接構成；所述的支撐機構(1)為"匚"型；"匚"型支撐機構(1)上下兩側內表面分別通過彈簧(2-2)及連接板(2-3) 與壓磁/壓電復合磁電換能器(3)或永磁體磁路(4)上下兩端彈性連接。
6、 根據(jù)權利要求2或5所述的一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，其 特征在于所述永磁體磁路(4)，或者由單邊叉指狀磁體構成；或者由相對稱的兩個叉指狀 磁體叉指相對放置構成；或者由柱狀磁體(4-1)和環(huán)狀磁體(4-2)相結合構成，所述的柱 狀磁體(4-1)由若干個圓形磁體通過相同形狀的非導磁分隔層(4-3)連接而成，所述的環(huán) 狀磁體(4-2)由若干個環(huán)形磁體通過相同形狀的非導磁分隔層(4-3)連接而成；單邊叉指 狀磁體結構的永磁體磁路(4)和兩個叉指狀磁體結構的永磁體磁路(4)對應塊狀層合換能結構(3-1)，層合換能結構(3-1)在單邊或兩個叉指狀永磁體磁路(4)的氣隙磁場空間內 往復運動；柱狀磁體(4-1)和環(huán)狀磁體(4-2)結構的永磁體磁路(4)對應環(huán)狀的層合換能 結構(3-1)，環(huán)狀的層合換能結構(3-1)在柱狀磁體(4-1)和環(huán)狀磁體(4-2)之間的空隙 內沿軸向往復運動；兩兩相鄰層合換能結構(3-1)間間距與永磁體磁路(4)上相鄰的兩個 永磁體間間距相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動能量采集器，它包括支撐機構、壓磁/壓電復合磁電換能器、永磁體磁路、彈性機構；其中，壓磁/壓電復合磁電換能器處于永磁體磁路的氣隙磁場空間內；壓磁/壓電復合磁電換能器和永磁體磁路中的一者通過彈性機構與支撐機構彈性連接，并可隨彈性機構作往復運動，另一者固定在支撐機構的底座上；即或者壓磁/壓電復合磁電換能器固定在底座上，永磁體磁路通過彈性機構與支撐機構連接；或者永磁體磁路通過非導磁材料固定在底座上，壓磁/壓電復合磁電換能器通過彈性機構與支撐機構連接；本發(fā)明的有益技術效果是提供了一種適用于微弱振動的、磁電轉化效率較高的自供能裝置。
文檔編號H02N2/18GK101404468SQ20081023311
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權日2008年11月25日
發(fā)明者代顯智, 文玉梅, 平 李, 進 楊 申請人:重慶大學