本發(fā)明涉及新能源技術領域，特別是一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置。

背景技術：

信息技術的飛速發(fā)展并沒有帶動電源技術的快速發(fā)展，電源的能量密度沒有明顯的提高。雖然化學能電池因使用方便而被廣泛使用，但環(huán)境污染、回收困難、浪費材料等問題也日益突出。因此尋找可替代能源成為當今研究的熱點。其中可行的方法是從周圍環(huán)境振動中俘獲能量。在我們生活環(huán)境的周圍，存在著各種各樣的廢棄的能量，例如太陽能、壓力能、機械振動能等。太陽能和壓力能雖然其能量密度比較高，但是由于其能量采集和供給技術的限制很難被廣泛的應用到生活中。

比較上述能量采集方法，壓電材料具有能耗低，易于微型化等特點，壓電陶瓷振動發(fā)電機是一種持久、清潔、免維護的新型發(fā)電裝置，因此壓電陶瓷發(fā)電技術的研究已得到廣泛重視,在無線傳感器網絡自供電方面具有較廣闊的應用前景。但目前現有壓電振動發(fā)電裝置還存在環(huán)境適應性差、發(fā)電效率低、低頻適應性差、單位時間內發(fā)電量小的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置，本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置能夠更適應環(huán)境中隨機、寬帶、低頻、大振幅以及高強度振動能量回收。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

根據本發(fā)明提出的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置，包括殼體、兩組相互平行的復合梁、兩個永磁體和兩個感應線圈；其中，

兩個感應線圈分別設置在相對的殼體內側壁上，兩組復合梁設置在兩個感應線圈之間，每組復合梁包括多個懸臂梁及與該多個懸臂梁的一端所連接的一個基底，懸臂梁的另一端固定連接在殼體的內側壁上， 兩個永磁體分別設置在兩組復合梁中的基底上、且各自正對著一個感應線圈，懸臂梁的上下表面均設有壓電片。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，所述懸臂梁呈等腰梯形。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，所述懸臂梁的尺寸均相同。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，所述壓電片的形狀與懸臂梁的形狀相同。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，基底為正n邊形基底，每組復合梁包括m個等腰梯形的懸臂梁，n為大于2的整數，m為大于1且小于（n+1）整數。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，n、m均為4。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，壓電片是通過導電膠粘在懸臂梁的上下表面。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用串聯(lián)結構。

作為本發(fā)明所述的一種基于磁力作用的平行復合梁壓電-電磁俘能裝置進一步優(yōu)化方案，懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用并聯(lián)結構。

本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

（1）本發(fā)明裝置采用的等腰梯形懸臂梁獲得較為均勻的應力分布和較大的應力值，四個梁的新型結構可以使壓電裝置在低頻范圍內存在多階諧振頻率，并且各階諧振頻率之間的差值較小，拓寬了頻帶，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣；

（2）兩組新型平行復合梁存在不同的諧振頻率，由于上下永磁鐵存在相互排斥或者相互吸引的作用力關系，使得能量得以從較低頻率的新型復合梁傳輸到較高諧振頻率的新型復合梁，使其寬頻適用性更廣；

（3）懸臂梁自由端上下表面放置永磁鐵，其中永磁鐵可以被當做質量塊，可以降低懸臂梁的諧振頻率，使其對低頻環(huán)境的適應性更強；壓電和電磁的耦合作用，彌補了壓電裝置的輸出電流小和電磁裝置的輸出電壓小的缺點，使其輸出電壓較高，電流較大。

附圖說明

圖1是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的新型復合梁與永磁鐵結構圖；

圖2 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的新型復合梁與永磁鐵俯視圖；

圖3 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的整體主視圖；

圖4 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的兩組平行新型復合梁、永磁鐵與感應線圈結構圖；

圖5 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的整體線架圖。

圖中的附圖標記解釋為：a、b、c和d均是懸臂梁，1是殼體，2是感應線圈，5和6分別是兩組復合梁的基底，4是壓電片，3和7均是永磁鐵。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1、圖2所示，新型壓電結構復合梁包括：

復合梁中心位置是一個正四邊形，放置有永磁鐵，懸臂梁a、b、c、d是規(guī)格相同的等腰梯形的懸臂梁（由于懸臂梁a、b、c、d的規(guī)格都是相同的，所以下面中均以懸臂梁a為例進行說明）。當殼體受到振動源的激勵后，殼體可以使向四周擴散的振動能傳遞到懸臂梁a、b、c、d上，可以更好的利用環(huán)境振動能量，提高能量利用率。對于懸臂梁a的結構，與矩形相比，等腰梯形的應力分布較為均勻并且應力較大；懸臂梁a的結構是在保證懸臂梁可以正常工作的情況下，懸臂梁的長度要長，可以降低懸臂梁的諧振頻率；四個梁通過基底復合在一起，可以使懸臂梁在低頻范圍內可以出現多階諧振頻率，也可以降低各階諧振頻率之間的差值，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣；可通過調整壓電片與懸臂梁的厚度比、中心永磁鐵的質量調節(jié)兩組平行新型復合梁各自的諧振頻率，使其更適應低頻環(huán)境。

如圖3所示，一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置，圖4 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的兩組平行新型復合梁、永磁鐵與感應線圈結構圖；圖5 是一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的整體線架圖。本發(fā)明包括：

1是殼體，2是感應線圈，除了1和2剩下的部分是圖1中兩組平行新型復合梁的整體結構。其中，5和6分別四兩組新型復合梁的基底，4是粘貼在新型復合梁基底上下表面的壓電片，壓電片幾何形狀和復合梁基底的幾何形狀相同；3和7是放置在復合梁中心位置的永磁鐵；

本發(fā)明提供的一種基于磁力作用的新型平行復合梁壓電-電磁俘能裝置的工作過程如下：外界力作用在基底上時，基底會把振動能量傳遞給四周的懸臂梁，懸臂梁振動會帶動著懸臂梁基底彎曲，產生形變，那么粘貼在懸臂梁上下表面的壓電片也會隨之產生形變，由于壓電片是具有壓電效應的壓電材料，當壓電片產生形變時會引起壓電片表面的帶電粒子偏離平衡位置，進而壓電片的上下表面就會產生電勢差；另外，懸臂梁的振動也會帶動自由端的永磁鐵上下運動，根據法拉第電磁感應，閉合的感應線圈也會產生感應電動勢，由于上下永磁鐵存在相互排斥或者相互吸引的作用力關系，使得能量得以從較低頻率的新型復合梁傳輸到較高諧振頻率的新型復合梁，使其寬頻適用性更廣，與無磁力作用的相同諧振頻率懸臂梁結構俘能裝置比較，本發(fā)明裝置的電磁發(fā)電能力顯著提高。

本發(fā)明的壓電結構懸臂梁，以正四邊形為中心，每條邊向外延伸一條等腰梯形的懸臂梁。正四邊形的中心可以使向四周擴散的振動能傳遞到每一個梁上，可以更好的利用環(huán)境振動能量，提高能量利用率；對于懸臂梁的結構，與矩形相比，等腰梯形的應力分布較為均勻并且應力較大；懸臂梁的結構是在保證懸臂梁可以正常工作的情況下，懸臂梁的長度要長，可以降低懸臂梁的諧振頻率；四個梁通過中心復合在一起，可以使懸臂梁在低頻范圍內可以出現多階諧振頻率，也可以降低各階諧振頻率之間的差值，拓寬其頻帶；兩組新型復合梁具有不同的諧振頻率，且平行靠近放置，可通過調整壓電片與懸臂梁的厚度比、中心永磁鐵的質量調節(jié)兩組平行新型復合梁各自的諧振頻率，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣。

用導電膠把壓電片分別粘在等腰梯形懸臂梁的上下表面，上下兩個雙晶片可以采用串聯(lián)和并聯(lián)結構。若采用串聯(lián)結構，可以獲得較大的輸出電壓；若采用并聯(lián)結構，可以獲得較大的輸出電流。

上下永磁鐵，把永磁鐵放置在懸臂梁的自由端的上下面上，上下永磁鐵一方面可以用于懸臂梁自由端的質量塊，降低懸臂梁的諧振頻率，另一方面，當懸臂梁振動時，感應線圈會產生感應電動勢；永磁鐵上下運動也會帶動懸臂梁的上下運動，懸臂梁就會產生形變，由于正壓電效應，懸臂梁上下表面的壓電片就會產生電勢差；由于上下永磁鐵存在相互排斥或者相互吸引的作用力關系，使得能量得以從較低頻率的新型復合梁傳輸到較高諧振頻率的新型復合梁，使其寬頻適用性更廣。

上下感應線圈，把感應線圈纏繞在懸臂梁自由端的上下永磁鐵四周，其中上下感應線圈通過剛性較強的線連接在一起，當懸臂梁振動時，懸臂梁自由端的永磁鐵也會跟著上下運動，通過感應線圈的磁通量就會發(fā)生變化，感應線圈便會產生感應電動勢。

綜上所述，本發(fā)明裝置采用的等腰梯形懸臂梁獲得較為均勻的應力分布和較大的應力值，四個梁的新型結構可以使壓電裝置在低頻范圍內存在多階諧振頻率，并且各階諧振頻率之間的差值較小，拓寬其頻帶，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣；新型平行復合梁中的上下復合梁具有不同的諧振頻率，可通過改變壓電片與懸臂梁的厚度比、永磁鐵的質量降低復合梁各自的諧振頻率，使低頻適應性更好；懸臂梁自由端上下表面放置永磁鐵，平行復合梁中心放置有上下永磁鐵，上下永磁鐵間存在磁力作用，當殼體處于低頻振動環(huán)境中時，具有較低諧振頻率的新型復合梁能持續(xù)將能量傳遞給較高諧振頻率的新型復合梁，使整體的寬頻輸出能力更好；上、下永磁鐵的上、下方放置有感應線圈且固定在殼體上，當永磁鐵隨復合梁上下振動時，感應線圈的磁通量發(fā)生變化產生感應電動勢，進一步提高輸出能力。壓電和電磁的耦合作用，彌補了壓電裝置的輸出電流小和電磁裝置的輸出電壓小的缺點，使其輸出電壓較高，電流較大。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。