阵列化的电磁-摩擦复合振动能收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种阵列化的电磁

【技术实现步骤摘要】
阵列化的电磁
‑
摩擦复合振动能收集装置


[0001]本专利技术涉及能量收集
，尤其涉及一种阵列化的电磁
‑
摩擦复合振动能收集装置。

技术介绍

[0002]随着万物互联时代拉开序幕，各种用于交互通讯的传感器的需求数量急剧增加。作为传感系统的命脉，可靠的能源供给是交互通讯网络的关键因素，然而目前大部分无线传感网络节点仍采用电池供电。一方面，电池有限的寿命给海量无线传感网络节点的电池更换或充电提出了巨大的挑战；另一方面，化学能电池不仅难以抵抗高、低温等恶劣环境，而且会给环境造成污染。因此无线传感网络节点供电问题已成为制约物联网建设的瓶颈。环境振动能量是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源，通过能量采集技术，将环境中的机械能转换为电能，为无线传感网络节点供电，是打破传统供电方式限制的有效解决途径。
[0003]振动能量收集技术利用振动能量收集器将环境中的机械振动能转化为电能。目前，几种机电换能机制包括压电效应、电磁感应和摩擦起电效应。通常将利用以上机电换能机制设计的振动能量收集器称为压电式、电磁式和摩擦电式振动能量收集器。压电式振动能量收集器利用压电材料的正压电效应产生电能，压电式能量收集器可以产生较高的输出功率，不过压电材料韧性较低，易发生断裂。电磁式振动能量收集器基于法拉第电磁感应定律工作，线圈中的磁通量变化从而产生感应电动势。电磁式能量收集技术较为成熟，目前在大尺寸的系统内的应用都已得到实现，但是由于磁铁性能受空间和振动幅度限制，会相应的导致器件的输出偏小、集成度不高。摩擦电式振动能量收集器是基于摩擦起电和静电感应现象工作的，摩擦发电技术利用不同材料得失电子能力的差异，在接触摩擦过程中形成电荷转移，产生电势差，具有输出电流低电压高的特性。单一转换机制的能量收集器通常存在着稳定性不佳或能量收集效率不高的问题。近年来新兴的电磁
‑
摩擦复合能量采集技术已被证明是实现振动能量高效获取与转换的有效途径。摩擦纳米发电机(TENGs)具有较高的输出电压，但是输出电流只有微安级，而电磁发电机(EMGs)的输出电流可达毫安级，两者的组合可以满足较高能量转换的需求。
[0004]虽然近年来基于电磁
‑
摩擦复合式的振动能量收集技术已经取得了一些阶段性的进展，但是其工程化应用依然面临着众多挑战：(1)现有的能源收集装置只有在单一频段且规则振动环境中才有较好的输出，而随机、不规则的环境振动往往输出较低，很难实现不同频段不同方向振动能的高效获取与转换；(2)大多数能源收集装置采用具有较高摩擦阻力和较低灵敏度的滑动结构，对于低频的微弱环境振动响应效果差；如何保证能量收集器在较高功率密度输出的情况下，俘能自由度更广、响应频带更宽，是目前亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术不足，本专利技术的目的在于提供一种阵列化的电磁
‑
摩擦复合振动能收集装置。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一实施例提供的技术方案如下：
[0007]一种阵列化的电磁
‑
摩擦复合振动能收集装置，包括：
[0008]外壳；
[0009]振动能收集机构，所述振动能收集机构包括多个振动能收集单元，多个所述振动能收集单元阵列化排布于所述外壳内，每个所述振动能收集单元包括弹簧拾振单元、电磁发电单元以及摩擦发电单元；
[0010]所述弹簧拾振单元包括拾振体和多个弹簧，每个所述弹簧的一端连接于所述拾振体的外表面，另一端连接于所述外壳的内表面；
[0011]所述电磁发电单元包括磁铁单元和线圈，所述磁铁单元设于所述拾振体内，所述磁铁单元包括沿竖直方向相对设置的两个磁铁，两个所述磁铁的磁极相斥，所述线圈围设于所述拾振体外且连接于所述外壳的内表面；
[0012]所述摩擦发电单元连接于所述拾振体的外表面。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述拾振体包括沿竖直方向拼接而成的两个拾振本体，两个所述磁铁分别置于两个所述拾振本体内。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述拾振本体包括水平面、左右相对设置的两个第一侧面以及前后相对设置的两个第二侧面，所述第二侧面包括第一斜面、与所述第一斜面相连接的竖直面。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述外壳的内表面与所述第一斜面相对处设置成第二斜面，所述第二斜面与第一斜面平行设置，所述弹簧的一端连接于所述第一斜面，另一端连接于所述第二斜面。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述第一斜面与水平面之间的夹角为45
°
。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述弹簧拾振单元的相邻所述弹簧的中心线之间的夹角为90
°
。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述磁铁呈矩形。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，两个所述拾振本体的两个所述第一侧面、两个所述竖直面分别拼接成第三侧面、第四侧面，所述摩擦发电单元连接于所述水平面、第三侧面、第四侧面。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述摩擦发电单元包括多个纳米摩擦发电机，所述纳米摩擦发电机包括折纸结构、设于所述折纸结构上的多个第一摩擦材料与多个第二摩擦材料，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料相对设置。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述折纸结构的一端连接于所述拾振体的外表面，另一端与所述外壳的内表面之间具有间隙。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023](1)该装置的弹簧拾振单元为四弹簧拾振单元，四个弹簧分布在拾振体的四个方向上。弹簧拾振单元具有多自由度多模态振动特性，可将外界多方向多频段的振动能转化为拾振体在各个方向上的运动，形成多自由度的振动能收集装置，比单一自由度或某几个
自由度的能量收集装置收集能量更多，提高了装置对外界能量的俘获效率。
[0024](2)拾振体在响应外界振动能在外壳内运动的同时，拾振体内的磁铁位置变化引起线圈内磁通量改变产生感应电动势，完成电磁发电。在拾振体的多个方向上引入纳米摩擦发电机，外界环境中任意方向的振动激励皆可转化为拾振体对各个方向折纸结构的摩擦电输出。摩擦发电单元可作为因拾振体运动幅值不足导致电磁发电效率低时的能量补充。因此该振动能收集装置可将任意方向的振动能同时由电磁发电单元和摩擦发电单元复合转化为电能输出，提高了能量收集效率。
[0025](3)该振动能收集装置采用阵列化的设计，可调整弹簧的弹性系数和拾振体的质量，改变弹簧拾振单元的谐振频率，匹配外界不同频率的振动能量，实现多频振动环境下的拓频效果，拓宽能量收集装置的工作频带，提高了对环境中振动能的收集效率。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阵列化的电磁
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摩擦复合振动能收集装置，其特征在于，包括：外壳；振动能收集机构，所述振动能收集机构包括多个振动能收集单元，多个所述振动能收集单元阵列化排布于所述外壳内，每个所述振动能收集单元包括弹簧拾振单元、电磁发电单元以及摩擦发电单元；所述弹簧拾振单元包括拾振体和多个弹簧，每个所述弹簧的一端连接于所述拾振体的外表面，另一端连接于所述外壳的内表面；所述电磁发电单元包括磁铁单元和线圈，所述磁铁单元设于所述拾振体内，所述磁铁单元包括沿竖直方向相对设置的两个磁铁，两个所述磁铁的磁极相斥，所述线圈围设于所述拾振体外且连接于所述外壳的内表面；所述摩擦发电单元连接于所述拾振体的外表面。2.根据权利要求1所述的阵列化的电磁
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摩擦复合振动能收集装置，其特征在于，所述拾振体包括沿竖直方向拼接而成的两个拾振本体，两个所述磁铁分别置于两个所述拾振本体内。3.根据权利要求2所述的阵列化的电磁
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摩擦复合振动能收集装置，其特征在于，所述拾振本体包括水平面、左右相对设置的两个第一侧面以及前后相对设置的两个第二侧面，所述第二侧面包括第一斜面、与所述第一斜面相连接的竖直面。4.根据权利要求3所述的阵列化的电磁
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摩擦复合振动能收集装置，其特征在于，所述外壳的内表面与所述第一斜面相对处设置成第二斜面，所述第二斜面与第一斜面平行设置，所述弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会聪，王梓兆，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：