一种超低频俘能器

摘要

本发明涉及一种超低频俘能器，属于俘能技术技术领域，解决了现有技术中俘能器的输出能量小以及俘能频率低、俘能频带窄、负载应用范围小的问题。其包括类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体、连接轴和封装壳体；类单摆组件的转动端与连接轴转动连接，类单摆组件的摆动端沿垂直于连接轴的轴向方向自由摆动，摆动端设有定磁体；压电复合梁的固定端与连接轴固定连接，压电复合梁的悬空端设有动磁体。本发明提供的超低频俘能器可用于将运动过程中产生的机械能转化为电能。

权利要求

1.一种超低频俘能器，其特征在于，包括类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；

所述类单摆组件的转动端与连接轴转动连接，所述类单摆组件的摆动端沿连接轴的周向自由摆动，所述摆动端设有定磁体；

所述压电复合梁的固定端与连接轴固定连接，所述压电复合梁的悬空端设有动磁体；

所述类单摆组件的平面形状为扇形，所述类单摆组件的圆心角小于180°；

所述压电复合梁的厚度方向垂直于所述类单摆组件的平面；

相对于所述类单摆组件的平面，所述动磁体的中心高度不等于所述定磁体的中心高度；

或所述压电复合梁的厚度方向平行于所述类单摆组件的平面；

相对于所述类单摆组件的平面，所述动磁体的中心高度等于所述定磁体的中心高度。

2.根据权利要求1所述的超低频俘能器，其特征在于，所述类单摆组件包括扇形基底和凸台；

所述扇形基底的圆心端为转动端，所述扇形基底的圆弧端为摆动端；

所述凸台设于所述扇形基底的圆弧端，且朝向所述压电复合梁；

所述定磁体设于所述凸台朝向所述动磁体的表面。

3.根据权利要求1所述的超低频俘能器，其特征在于，所述超低频俘能器还包括套筒，所述压电复合梁的固定端与所述套筒固定连接，所述套筒固设在所述连接轴上，所述压电复合梁为多个，围绕所述套筒周向平均设置。

4.根据权利要求1所述的超低频俘能器，其特征在于，所述压电复合梁包括支撑梁以及依次层叠布置在支撑梁上的第一电极层、压电层和第二电极层；

所述第一电极层与负载的负极导线连接，所述第二电极层与负载的正极导线连接。

5.根据权利要求1所述的超低频俘能器，其特征在于，所述动磁体与所述定磁体之间的水平间距为1.5mm～4mm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超低频俘能器，其特征在于，所述超低频俘能器还包括与所述动磁体的位置相对应的线圈或驻极体。

7.根据权利要求6所述的超低频俘能器，其特征在于，所述超低频俘能器还包括封装壳体，所述封装壳体包围所述类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；

所述线圈包括壳体线圈和/或单摆线圈；

所述壳体线圈设于所述封装壳体朝向所述动磁体的表面；

所述单摆线圈设于所述类单摆组件朝向所述动磁体的表面。

8.根据权利要求6所述的超低频俘能器，其特征在于，所述超低频俘能器还包括封装壳体，所述封装壳体包围所述类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；

所述超低频俘能器包括驻极体，所述驻极体包括壳体驻极体和/或单摆驻极体；

所述壳体驻极体设于所述封装壳体朝向所述动磁体的表面；

所述单摆驻极体设于所述类单摆组件朝向所述动磁体的表面。

说明书

一种超低频俘能器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种俘能技术，尤其涉及一种超低频俘能器。

背景技术

[0002] 俘能技术是一种将运动过程中产生的机械能转化为电能的技术，其具有自主供能时间长、占用空间小、环境适应性强等优点，广泛应用于单兵装备、人体可穿戴设备及医疗传感器等领域。

[0003] 现有技术中，利用俘能技术的俘能器主要包括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以及基于电容原理的静电式俘能器。但是，由于运动过程中所产生的机械能主要为超低频工作振动频率(一般小于10Hz)，但对于俘能器来说，它的输出电能与振动频率成正比，振动频率越低，输出能量越低。因此，现有技术中的俘能器均存在在超低频工作环境中输出电能较小的问题。

[0004] 此外，俘能器工作环境中的振动通常分布在一定的频带范围内，但现有技术中的俘能器的工作带宽较窄(仅为2Hz左右)，导致其在实际应用环境中的应用能力差。

发明内容

[0005] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种超低频俘能器，解决了现有技术中俘能器的输出能量小以及俘能频率低、俘能频带窄、负载应用范围小的问题。

[0006] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明提供了一种超低频俘能器，包括类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；类单摆组件的转动端与连接轴转动连接，类单摆组件的摆动端沿连接轴的周向自由摆动，摆动端设有定磁体；压电复合梁的固定端与连接轴固定连接，压电复合梁的悬空端设有动磁体。

[0008] 进一步地，类单摆组件的平面形状为扇形，类单摆组件包括扇形基底和凸台；扇形基底的圆心端为转动端，扇形基底的圆弧端为摆动端；凸台设于扇形基底的圆弧端，且朝向压电复合梁；定磁体设于凸台朝向动磁体的表面。

[0009] 进一步地，超低频俘能器还包括套筒，压电复合梁的固定端与套筒固定连接，套筒固设在连接轴上，压电复合梁为多个，围绕套筒周向平均设置。

[0010] 进一步地，压电复合梁包括支撑梁以及依次层叠布置在支撑梁上的第一电极层、压电层和第二电极层；第一电极层与负载的负极导线连接，第二电极层与负载的正极导线连接。

[0011] 进一步地，压电复合梁的厚度方向垂直于类单摆组件的平面；相对于类单摆组件的平面，动磁体的中心高度不等于定磁体的中心高度。

[0012] 进一步地，压电复合梁的厚度方向平行于类单摆组件的平面；相对于类单摆组件的平面，动磁体的中心高度等于定磁体的中心高度。

[0013] 进一步地，动磁体与定磁体之间的水平间距为1.5mm～4mm。

[0014] 进一步地，超低频俘能器还包括与动磁体的位置相对应的线圈或驻极体。

[0015] 进一步地，超低频俘能器还包括封装壳体，封装壳体包围类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；线圈包括壳体线圈和/或单摆线圈；壳体线圈设于封装壳体朝向动磁体的表面；单摆线圈设于类单摆组件朝向动磁体的表面。

[0016] 进一步地，超低频俘能器还包括封装壳体，封装壳体包围类单摆组件、压电复合梁、定磁体、动磁体和连接轴；超低频俘能器包括驻极体，驻极体包括壳体驻极体和/或单摆驻极体；壳体驻极体设于封装壳体朝向动磁体的表面；单摆驻极体设于类单摆组件朝向动磁体的表面。

[0017] 与现有技术相比，本发明有益效果如下：

[0018] a)本发明提供的超低频俘能器中设有类单摆组件，通过类单摆组件能够将应用环境中的超低频激励转化为类单摆组件的动能，然后，通过定磁体与动磁体之间的非线性磁力作用，将类单摆组件的超低频摆动机械能转化为压电复合梁的高频振动动能，并通过压电材料将压电复合梁的高频振动动能转化为电能，从而实现了超低频俘能器在超低频环境下能够发生高频振动俘能，输出较大的电能。

[0019] b)本发明提供的超低频俘能器中压电复合梁的振动响应为非线性响应，使得压电复合梁具有宽频带俘能效果，经测试，超低频俘能器的俘能频带为6Hz-20Hz。

[0020] c)本发明提供的超低频俘能器的结构紧凑，方便携带，且输出的电能稳定。

[0021] d)本发明提供的超低频俘能器能够实现在超低频振动环境中同时输出较大电压和较大电流，从而拓展了最佳负载的应用范围。

[0022] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0023] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0024] 图1为本发明实施例一的超低频俘能器的结构示意图；

[0025] 图2为本发明实施例一的超低频俘能器的俯视图；

[0026] 图3为本发明实施例一的超低频俘能器中包括线圈的剖视图；

[0027] 图4为本发明实施例一的超低频俘能器中包括驻极体的剖视图；

[0028] 图5为本发明实施例一的超低频俘能器中类单摆组件的结构示意图；

[0029] 图6为本发明实施例一的超低频俘能器中压电复合梁的结构示意图；

[0030] 图7为本发明实施例一的超低频俘能器中压电复合梁的另一种结构示意图。

[0031] 附图标记：

[0032] 1-类单摆组件；101-扇形基底；102-凸台；2-压电复合梁；201-支撑梁；202-第一电极层；203-压电层；204-第二电极层；3-定磁体；4-动磁体；5-连接轴；6-封装壳体；7-壳体线圈；8-单摆线圈；9-壳体驻极体；10-单摆驻极体；11-套筒。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

[0034] 实施例一

[0035] 本实施例提供了一种超低频俘能器，如图1至图7所示，其包括类单摆组件1、压电复合梁2、定磁体3、动磁体4、连接轴5和封装壳体6。其中，类单摆组件1的转动端与连接轴5转动连接，类单摆组件1的摆动端沿连接轴5的周向自由摆动，摆动端设有定磁体3；压电复合梁2的固定端与连接轴5固定连接，压电复合梁2的悬空端设有动磁体4；定磁体3与动磁体4之间具有磁力作用。

[0036] 实施时，超低频俘能器佩戴在佩戴者的身上，佩戴者在运动过程中，类单摆组件1会在运动而产生的超低频激励作用下绕其转动端进行类单摆运动，从而将超低频激励转化为类单摆组件1的动能。随着类单摆组件1的摆动，定磁体3与动磁体4之间的距离发生变化，并进一步改变定磁体3和动磁体4之间相互作用的磁力，在定磁体3的非线性磁力作用下，动磁体发生位移，并带动压电复合梁2产生一定位移的形变，并以该形变为初始值进行自由衰减振动，从而将类单摆组件1的超低频摆动机械能转化为压电复合梁2的高频振动动能，由于压电复合梁2由压电材料制成，在压电复合梁2不断地振动的过程中，压电材料将压电复合梁2的高频振动动能转化为电能，从而完成电能的输出。

[0037] 与现有技术相比，本实施例提供的超低频俘能器中设有类单摆组件1，通过类单摆组件1能够将应用环境中的超低频激励转化为类单摆组件1的动能，然后，通过定磁体3与动磁体4之间的非线性磁力作用，将类单摆组件1的超低频摆动机械能转化为压电复合梁2的高频振动动能，并通过压电材料将压电复合梁2的高频振动动能转化为电能，从而实现了超低频俘能器在超低频环境下能够发生高频振动俘能，输出较大的电能。

[0038] 此外，由于压电复合梁2的振动响应为非线性响应，使得压电复合梁2具有宽频带俘能效果，经测试，上述超低频俘能器的俘能频带为6Hz-20Hz。

[0039] 对于类单摆组件1的平面形状，其可以为矩形、菱形、三角形或梯形。为了保证超低频俘能器输出电能的稳定性，上述类单摆组件1的平面形状可以为扇形，类单摆组件1包括扇形基底101和凸台102；扇形基底101的圆心端为转动端，扇形基底101的圆弧端为摆动端；凸台102设于扇形基底101的圆弧端，且朝向压电复合梁2；定磁体3设于凸台102朝向动磁体
4的表面。相较于其他平面形状，扇形的摆动较为规律，且在佩戴者的超低频激励下，扇形的类单摆组件1的摆动幅度更大，能够产生更多的动能，从而能够输出更多的电能。

[0040] 为了进一步提高类单摆组件1的摆动幅度，上述类单摆组件1的圆心角可以小于180°。

[0041] 为了提高超低频俘能器整体结构的紧凑性，上述类单摆组件1的厚度可以小于或等于5mm，类单摆组件1的半径为10mm-30mm。

[0042] 为了便于组装，相对于扇形基底101，凸台102远离扇形基底101的表面的高度大于定磁体3远离扇形基底101的表面的高度。

[0043] 为了避免超低频俘能器内部沉积灰尘，影响超低频俘能器的工作稳定性，上述超低频俘能器还包括包围类单摆组件1、压电复合梁2、定磁体3、动磁体4和连接轴5的封装壳体6，用于为类单摆组件1、压电复合梁2、定磁体3、动磁体4和连接轴5提供支撑、安装和工作环境。

[0044] 为了保证类单摆组件1能够顺畅地摆动，类单摆组件1与封装壳体6的侧壁需要具有间隙。同样地，考虑到超低频俘能器整体结构的紧凑性，上述间隙需要小于或等于1mm。对于类单摆组件1的材质，其可以为塑料、陶瓷或不锈钢，在此不一一限定。

[0045] 具体来说，上述超低频俘能器还包括套筒11，压电复合梁2的固定端与套筒11固定连接，为了能够产生更多的电能，可以设置多个压电复合梁2(例如，4-12个)，多个压电复合梁2围绕套筒11的周向均匀布置。在动磁体4与定磁体3之间的非线性磁力作用下，多个压电复合梁2中的压电材料将更多的压电复合梁2的高频振动动能转化为更多的电能，从而能够使超低频俘能器适合所需电压更大的负载，提高超低频俘能器的适应性。同时，多个压电复合梁2均匀布置，可以保证超低频俘能器始终能够输出稳定的电能，提高超低频俘能器的稳定性。

[0046] 对于压电复合梁2的结构，其可以为单晶的压电复合梁2或双晶的压电复合梁2。

[0047] 具体来说，如图6所示，单晶的压电复合梁2可以包括支撑梁201以及依次层叠布置在支撑梁201的一个侧面上的第一电极层202、压电层203和第二电极层204，第一电极层203与负载的负极导线连接，第二电极层203与负载的正极导线连接；也就是说，单晶的压电复合梁2包括一层第一电极层202、一层压电层203和一层第二电极层204。

[0048] 如图7所示，双晶的压电复合梁2可以包括支撑梁201以及依次层叠布置在支撑梁201的两个侧面上的第一电极层202、压电层203和第二电极层204，第一电极层203与负载的负极导线连接，第二电极层203与负载的正极导线连接；也就是说，双晶的压电复合梁2包括两层第一电极层202、两层压电层203和两层第二电极层204。

[0049] 为了保证上述超低频俘能器能够输出足够的电能，压电复合梁2的谐振频率可以为50Hz～1000Hz。对于振动超低频俘能器来说，其输出电能与谐振频率成正比，也就是说，谐振频率越高，输出的电能就越多，压电复合梁2的谐振频率大于或等于50Hz，能够保证超低频俘能器输出足够电能，用于为负载供电；此外，由于压电复合梁2的谐振频率与其自身的厚度有关，谐振频率越高，压电复合梁2的厚度越大，为了避免压电复合梁2的尺寸过大，压电复合梁2的谐振频率不宜高于1000Hz。

[0050] 需要说明的是，压电复合梁2的谐振频率可以通过调节动磁体4的形状、质量及其位于压电复合梁2上的位置来调节，以优化超低频俘能器的输出功率。并且，压电复合梁2的谐振平率需要根据所需输出功率以及动磁体4和定磁体3之间的引力大小进行设计。

[0051] 对于压电复合梁2的平面形状，其可以为矩形、菱形、三角形或梯形，但是从加工的角度考虑，压电复合梁2的平面形状可以为矩形。

[0052] 为了保证压电复合梁2能够具有合适的谐振频率，压电复合梁2的长度可以为3mm～25mm，压电复合梁2的宽度可以为2mm～20mm，压电复合梁2的厚度可以为40μm～0.3mm。压电复合梁2的尺寸在上述范围内，既能够保证其具有合适的谐振频率，也能够避免其尺寸过大而造成超低频俘能器的体积过大，提高超低频俘能器的便携性。

[0053] 对于压电复合梁2的布置方式主要有以下两种：压电复合梁2的厚度方向垂直于类单摆组件1的平面，或者压电复合梁2的厚度方向平行于类单摆组件1的平面。

[0054] 针对上述两种布置方式，为了保证压电复合梁2的摆动幅度，当压电复合梁2的厚度方向垂直于类单摆组件1的平面时，相对于类单摆组件1的平面，动磁体4的中心高度不等于定磁体3的中心高度。动磁体4和定磁体3之间具有高度差，压电复合梁2始终承受不在其平面内的非线性磁力作用，使得压电复合梁2可以沿着垂直于类单摆组件1的平面方向，以最大振动幅度进行振动，从而获得更多的电能。当然为了动磁体4能够有足够的空间进行振动，相对于类单摆组件1的平面，动磁体4的中心高度可以大于定磁体3的中心高度。制得注意的是，动磁体4和定磁体3之间需要具有足够的引力，示例性地，相对于类单摆组件1的平面，动磁体4与定磁体3的中心高度差小于或等于3mm。

[0055] 当压电复合梁2的厚度方向平行于类单摆组件1的平面；相对于类单摆组件1的平面，动磁体4的中心高度等于定磁体3的中心高度，也就是说，动磁体4和定磁体3处于同一平面内，压电复合梁2始终承受在其平面内的非线性磁力作用，使得压电复合梁2可以沿着平行于类单摆组件1的平面方向，以最大振动幅度进行振动，从而获得更多的电能。

[0056] 为了保证动磁体4与定磁体3之间具有足够的磁力，以便能够轻易地驱动压电复合梁2振动，动磁体4与定磁体3之间的水平间距为1.5mm～4mm，当然，上述水平间距的大小可以根据定磁体3和动磁体4之间所需的磁力来确定。

[0057] 同样地，为了保证动磁体4与定磁体3之间具有足够的磁力，定磁体3和动磁体4的数量均可以为多个(例如，1-6个)，多个定磁体3均匀布置；多个动磁体4均匀布置。此外，多个定磁体3均匀布置；多个动磁体4均匀布置，可以保证压电复合梁2能够规律振动，超低频俘能器始终能够输出稳定的电能，提高超低频俘能器的稳定性。

[0058] 对于定磁体3和动磁体4的形状和尺寸，其可以为任意形状和任意尺寸。但是，为了方便加工以及避免超低频俘能器尺寸过大，定磁体3的形状为长方体，定磁体3的长度为2mm-6mm，定磁体3的宽度为2mm-6mm，定磁体3的高度为0.5mm-2mm；动磁体4的形状为长方体，动磁体4的长度为2mm-6mm，动磁体4的宽度为2mm-6mm，动定磁体3的高度为0.5mm-2mm。

[0059] 为了实现超低频俘能器同时输出较大电压和较大电流，上述超低频俘能器还可以包括与动磁体4的位置相对应的线圈或驻极体。动磁体4在定磁体3的非线性磁力作用下运动，切割线圈或驻极体的磁感线，根据电磁感应定律，输出电能，其负载大小为几十欧姆到几百欧姆的范围内。上述超低频俘能器中同时包括了作为压电俘能器元件的压电复合梁2以及作为电磁俘能器元件的线圈和/或驻极体。由于压电俘能器的输出电压较大，电磁俘能器的输出电流较大，因此，压电-电磁俘能器能够实现在超低频振动环境中同时输出较大电压和较大电流，从而拓展了最佳负载的应用范围。

[0060] 具体来说，当上述超低频俘能器包括线圈时，该线圈可以包括壳体线圈7和/或单摆线圈8。其中，壳体线圈7粘结于封装壳体6朝向动磁体4的表面；单摆线圈8粘结于类单摆组件1朝向动磁体4的表面。

[0061] 对于线圈的类型，其可以为单层线圈或多层线圈；其中，多层线圈可以为平面线圈或立体线圈。

[0062] 当上述超低频俘能器包括驻极体时，该驻极体可以包括壳体驻极体9和/或单摆驻极体10。其中，壳体驻极体9粘结于封装壳体6朝向动磁体4的表面；单摆驻极体10粘结于类单摆组件1朝向动磁体4的表面。

[0063] 本实施例提供的超低频俘能器可以针对超低频俘能器所接不同负载的功率需求及尺寸要求，针对性的设计超低频俘能器中的类单摆组件1、压电复合梁2、动磁体4、定磁体3、线圈和驻极体的尺寸与数量。

[0064] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。