一种基于能量采集电路的压电‑电磁复合式俘能器制造技术

本发明专利技术公开的一种基于能量采集电路的压电‑电磁复合式俘能器，涉及提高输出功率的压电‑电磁复合式俘能器，属于新能源和发电技术领域。本发明专利技术包括压电‑电磁复合式俘能器和能量采集电路。压电‑电磁复合式俘能器包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。本发明专利技术能够实现将交流电转换为直流电，向负载提高输出功率供电，具有绿色无污染、能量密度大、缩短充电时间、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电-电磁复合式俘能器，特别涉及在环境振动条件下、基于能量采集电路提高输出功率的压电-电磁复合式俘能器，属于新能源和发电

技术介绍
目前，公知的供电元件一般为化学电池。化学电池储能有限，需要定期更换，人力物力成本较高。公知的测量控制系统都需要外部电源供电，外部电源与传感器之间要通过导线相连，线路繁杂且方便；而且在无电源环境或者极端恶劣环境(如石油钻井钻头定位传感器供能)下，无法使用外部电源供电。环境中的振动无处不在，是一种绿色能源。通过从环境中获取振动能量，并加以存储进行直接的利用，是解决常规电池能源供应问题的有效措施。对此，国内外学者进行相关自供能技术的研究，其中包括压电俘能器、电磁俘能器等。随着微电子制造技术、无线传感网络的快速发展及各种新型的低功耗元件的出现，将振动能转化为电能并供给低功耗器件的振动型俘能器成为了研究热点。目前，振动型俘能器主要有静电式、压电式与电磁式。静电式俘能器需要外接电源，很大程度上限制了它的应用。电磁式俘能的基本原理为电磁感应定律，穿过闭合导线的磁通量发生变化时，在导线中产生感应电流，从而输出电能。压电式俘能的基本原理为压电材料的正压电效应，机械振动使得压电材料内部产生应力，发生正压电效应产生电荷，输出电能。压电式与电磁式俘能器的工作原理不同，不能同时输出大电压和大电流。由于压电式俘能器在每个振动周期压输出的电压相对较高、电流较小，而电磁式俘能器的输出的电压相对较低，电流较大，二者能量都很微弱，不能直接向电子负载供电，需要将电压和电流都转换为可以为超级电容或者充电电池供电的电压和电流。因此，在能量采集装置与电子负载之间必须插入能量采集电路。能量采集电路可以将交流电转换为直流电，直接向负载供电，还可以储存每个振动周期压电元件的输出电荷，增大输出电流，从而提高输出功率。因此，将压电俘能器与电磁俘能器有机结合，设计的压电-电磁复合式俘能器较为少见，设计基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器更为少见。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种可将机械振动能转化为电能储存、并对微电子装置供电的压电-电磁复合式俘能器和一种用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，并将压电-电磁复合式俘能器和能量采集电路集成实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载提高输出功率供电。本专利技术公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，能够实现将交流电转换为直流电，向负载提高输出功率供电，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，包括压电-电磁复合式俘能器和用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路。所述的压电-电磁复合式俘能器包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。壳体内壁两侧对称分布有线圈，线圈垂直于壳体底面，线圈与壳体固定连接，并使线圈中心与锥形永磁体尖部位置垂直相对，线圈与锥形永磁体尖部位置之间留有间隙。锥形永磁体底部分别对称固定于上永磁体、下永磁体侧面，基底梁中间部分夹于上永磁体、下永磁体之间，基底梁长度方向两侧与壳体垂直固定连接。所述的上永磁铁、下永磁铁及锥形永磁体充磁方向一致，且均沿锥形永磁体轴线方向，并使锥形永磁体轴线垂直于线圈表面。在基底梁上黏贴压电陶瓷材料，并使基底梁与压电陶瓷材料形状相同。所述的压电陶瓷材料主要由上电极、压电片、下电极组成。所述的上电极、压电片形状相同，在电陶瓷材料上的上电极、压电片中间部分留有间隙。压电陶瓷材料均有左压电片上电极引线、右压电片上电极引线引出，分别作为输出电能的正负两极。所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。所述的上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分作为质量块使用。所述的电磁俘能部分包括线圈、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。所述的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电。所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充电电池充电电压相匹配的输出电压。所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D1，二极管D2和充电电池。所述的电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1实现；电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U1的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C1接入芯片U1的C1管脚，通过电容C2接入芯片U1的C2管脚，另一端接地；芯片U1的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C3的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量采集电路的压电‑电磁复合式俘能器，其特征在于：包括压电‑电磁复合式俘能器和用于控制压电‑电磁复合式俘能器的能量采集电路；所述的压电‑电磁复合式俘能器包括壳体(1)、线圈(2)、上永磁体(3)、压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、锥形永磁体(6)、下永磁体(7)、上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；壳体(1)内壁两侧对称分布有线圈(2)，线圈(2)垂直于壳体(1)底面，线圈(2)与壳体(1)固定连接，并使线圈(2)中心与锥形永磁体(6)尖部位置垂直相对，线圈(2)与锥形永磁体(6)尖部位置之间留有间隙；锥形永磁体(6)底部分别对称固定于上永磁体(3)、下永磁体(7)侧面，基底梁(5)中间部分夹于上永磁体(3)、下永磁体(7)之间，基底梁(5)长度方向两侧与壳体(1)垂直固定连接；所述的上永磁铁(3)、下永磁铁(7)及锥形永磁体(6)充磁方向一致，且均沿锥形永磁体(6)轴线方向，并使锥形永磁体(6)轴线垂直于线圈(2)表面；在基底梁(5)上黏贴压电陶瓷材料(4)，并使基底梁(5)与压电陶瓷材料(4)形状相同；所述的压电陶瓷材料(4主要由上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)组成；所述的上电极(8)、压电片(9)形状相同，在电陶瓷材料(4)上的上电极(8)、压电片(9)中间部分留有间隙；压电陶瓷材料(4)均有左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)引出，分别作为输出电能的正负两极；所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体(1)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；所述的上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分作为质量块使用；所述的电磁俘能部分包括线圈(2)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场；所述的用于控制压电‑电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路；电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配；压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：包括
压电-电磁复合式俘能器和用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路；
所述的压电-电磁复合式俘能器包括壳体(1)、线圈(2)、上永磁体(3)、
压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、锥形永磁体(6)、下永磁体(7)、上电极(8)、
压电片(9)、下电极(10)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线
(12)；壳体(1)内壁两侧对称分布有线圈(2)，线圈(2)垂直于壳体(1)
底面，线圈(2)与壳体(1)固定连接，并使线圈(2)中心与锥形永磁体(6)
尖部位置垂直相对，线圈(2)与锥形永磁体(6)尖部位置之间留有间隙；锥
形永磁体(6)底部分别对称固定于上永磁体(3)、下永磁体(7)侧面，基底
梁(5)中间部分夹于上永磁体(3)、下永磁体(7)之间，基底梁(5)长度方
向两侧与壳体(1)垂直固定连接；所述的上永磁铁(3)、下永磁铁(7)及锥
形永磁体(6)充磁方向一致，且均沿锥形永磁体(6)轴线方向，并使锥形永
磁体(6)轴线垂直于线圈(2)表面；在基底梁(5)上黏贴压电陶瓷材料(4)，
并使基底梁(5)与压电陶瓷材料(4)形状相同；所述的压电陶瓷材料(4主要
由上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)组成；所述的上电极(8)、压电片
(9)形状相同，在电陶瓷材料(4)上的上电极(8)、压电片(9)中间部分留
有间隙；压电陶瓷材料(4)均有左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极
引线(12)引出，分别作为输出电能的正负两极；
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体(1)、基底梁(5)、上永磁
体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；
所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、上永磁体(3)、
下永磁体(7)、锥形永磁体(6)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极
引线(12)；所述的上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘
能部分作为质量块使用；
所述的电磁俘能部分包括线圈(2)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形
永磁体(6)；上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部
分用于产生电磁发电所需磁场；
所述的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器
能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流
的充电电路；
电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，

\t从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充
电电池的充电电压匹配；
压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，
从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充
电电池的充电电压匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能
器，其特征在于：
所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC
降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得
电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行
整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配
的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够
直接为充电电池充电；
所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量
存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到
稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充
电电池充电电压相匹配的输出电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式
俘能器，其特征在于：在上永磁体(3)、下永磁体(7)与壳体(1)之间基底
梁(5)矩形部分两侧分别采用三角形镂空；即在上永磁体(3)、下永磁体(7)
与壳体(1)之间基底梁(5)形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能
器，其特征在于：
电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C1、电容C2、电容C3、
电容C4和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型
变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C1、电容C2、电
容C3、电容C4和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1实...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海鹏，高世桥，张广义，武丽森，谭杨康，王子文，王学敏，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11