本發明涉及非線性壓電-電磁復合式俘能器技術領域，尤其涉及一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器。
背景技術：
隨著微系統技術的發展，各型微器件的應用領域和應用范圍愈發廣泛，特別在密閉、旋轉及空間尺寸相對有限的應用環境中，由于系統尺寸的限制以及傳統電池自持電能有限、連線方式供能環境適應性差等問題，致使傳統供能方式無法滿足與微器件集成的供能新需求。因此，可以長時工作、占用工作空間小、環境適應性強的俘能技術成為近年來微能源領域的研究熱點。
俘能技術實現將環境中的振動能、熱能、電磁能量轉化為電能供給低功耗器件工作，以替換傳統供能方式或延長電池電能。由于振動能無處不在、無時不有，因此，將器件環境中的振動能量轉化為電能的振動俘能技術是其中應用最廣泛且最具前景的技術之一。現階段，振動俘能技術主要包括三類，分別是基于壓電效應的壓電式俘能器、基于電磁感應定律的電磁式俘能器及基于電容原理的靜電式俘能器。三種類型的俘能器都有其各自不同的特點，壓電式俘能器的輸出電壓較大，但內阻較大導致輸出電流較小，通常只有幾微安到幾十微安，最佳負載一般達到幾十kω到1mω；電磁式俘能器的輸出電流較大，但輸出電壓只有幾十到幾百毫伏，最佳負載通常為幾十到幾百歐姆；靜電式俘能器則需要駐極體或開啟電壓才可正常工作，同樣存在輸出電流較小的問題。因此，基于單一機理的振動俘能器無法同時輸出較大電壓和較大電流，并且最佳負載的應用范圍也相對受限，所以需在同一結構上同時集成兩種或多種俘能機理，以實現更廣泛的應用效果。
另一方面，振動俘能器應用環境中的工作頻率往往以低頻振動為主，大都小于200hz，并且振動俘能器的輸出電能與振動頻率成反比，振動頻率越低、輸出能量越低。因此，振動俘能器需要解決低頻工作環境中輸出電能較小的問題。此外，振動俘能器工作環境中的振動通常分布在一定的頻帶范圍內的隨機振動，為提高俘能器在實際應用環境中的應用能力，需要拓寬俘能器的工作帶寬，以覆蓋較寬的工作振動頻率，提高俘能效率。
技術實現要素：
鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，用以解決現有技術中振動俘能器在低頻振動環境中應用時因工作頻率低引起輸出能量小以及俘能頻帶窄、輸出電壓和電流大小不均勻、負載應用范圍小的問題。
本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：
一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，主要包括低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、動磁體、靜磁體和線圈，所述低頻壓電復合梁的一端與所述動磁體的一端相串連，所述高頻壓電復合梁位于所述低頻壓電復合梁與所述動磁體的上方，所述線圈位于所述動磁體的下方，所述靜磁體固定于所述動磁體另一端的一側，所述靜磁體與所述動磁體另一端平行放置。
本發明通過將低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁和線圈同時集成在同一結構上，實現壓電-電磁復合式俘能，俘能器同時輸出較大的電壓和電流、拓展最佳負載應用范圍，同時，本發明通過動磁體與靜磁體之間的非線性磁力作用，實現低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、線圈在寬頻帶范圍俘能。
進一步的，所述非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器還包括邊框固定結構，所述低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、動磁體、靜磁體和線圈均固定在所述邊框固定結構上。
本發明邊框固定結構內部用于安裝固定俘能器，將俘能器結構與外界環境隔離以保護俘能結構。
進一步的，所述邊框固定結構為長方體結構，長、寬、高尺寸范圍可分別為10mm～30mm、10mm～30mm、2mm～30mm。
進一步的，所述邊框固定結構的材質為塑料或陶瓷。
本發明邊框固定結構的材質選擇為塑料或陶瓷，能夠防止俘能器中的磁體與外界環境中的鐵性材料發生作用力。
進一步的，所述低頻壓電復合梁的一端固定于所述邊框固定結構的內壁，另一端與所述動磁體相連。
本發明低頻壓電復合梁的一端固定于邊框固定結構上，將低頻壓電復合梁形成單懸臂梁結構形式，低頻壓電復合梁的另一端與動磁體相連，通過動磁體降低、調節低頻壓電復合梁的固有頻率，以適應所應用的振動環境。
進一步的，所述低頻壓電復合梁為長方體、梯形或弓形多層復合結構，自上而下依次為上電極層、壓電層、下電極層、低頻支撐梁。
本發明上電極層用于外接正極導線，壓電層在外激勵作用下產生正負電荷，下電極層用于外接負極導線，上電極層、壓電層、下電極層通過粘結方式固定于低頻支撐梁上，以提高壓電層的可靠性，防止單獨使用壓電材料時出現斷裂、破裂等失效特征。
進一步的，所述上電極層、壓電層、下電極層、低頻支撐梁的寬度相等。
進一步的，所述低頻壓電復合梁的長、寬、厚尺寸范圍分別為3mm～25mm、0.4mm～20mm、40μm～0.3mm。
本發明俘能器結構的輸出功率隨尺寸增大而提高，微米尺度下的俘能器結構輸出功率小于0.1mw。
進一步的，所述高頻壓電復合梁的一端固定于所述邊框固定結構的內壁，另一端為自由端，且所述高頻壓電復合梁平行位于所述低頻壓電復合梁的上方。
本發明將高頻壓電復合梁平行置于低頻壓電復合梁的上方，在低頻振動環境中低頻壓電復合梁通過機械碰撞的方式觸發激勵高頻壓電復合梁振動，使高頻壓電復合梁在低頻振動環境中同樣具備電能輸出；高頻壓電復合梁的諧振頻率為低頻壓電復合梁的10倍左右，所以在低頻振動環境中整體俘能器結構將輸出較大的功率。
進一步的，所述高頻壓電復合梁的長度長于所述低頻壓電復合梁的長度。
在振動環境下，低頻壓電復合梁末端的最大振動位移小于2mm，為達到觸發高頻壓電復合梁振動、增大高頻壓電復合梁輸出功率的條件，設計高頻壓電復合梁的長度大于低頻壓電復合梁的長度。
進一步的，所述高頻壓電復合梁的長度、寬度、厚度的尺寸范圍分別為3mm～30mm、0.4mm～20mm、40μm～0.3mm。
本發明針對俘能器所接不同負載的功率需求、工作環境及尺寸要求，針對性的設計俘能器低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、動磁體的尺寸。
進一步的，所述高頻壓電復合梁與所述低頻壓電復合梁的高度范圍小于2mm。
在外激勵下，低頻壓電復合梁末端的振動位移小于2mm，為保證低頻壓電復合梁能夠碰撞觸發高頻壓電復合梁發生振動，高頻壓電復合梁與低頻壓電復合梁之間的間距應小于2mm。
進一步的，所述高頻壓電復合梁為長方體、梯形或三角形多層復合結構，自上而下依次為上電極層、壓電層、下電極層、低頻支撐梁。
進一步的，所述動磁體的結構為長方體結構。
本發明的動磁體結構選擇長方體結構，相比于圓柱型動磁體，長方體磁體更易固定于低頻壓電復合梁的末端，并與靜磁體形成相互間作用力。
進一步的，所述靜磁體的結構為長方體結構，以實現與動磁體相對應磁極間形成排斥作用力。
進一步的，所述靜磁體固定于所述邊框固定結構的內壁上，所述靜磁體與所述動磁體之間的水平距離范圍為1.5mm～5mm，水平距離的尺度通過動、靜磁體之間的相互作用力確定。
進一步的，所述靜磁體與所述動磁體的上表面高度相平齊。
進一步的，所述線圈為單層或多層平面線圈、立體纏繞線圈。
本發明有益效果如下：
(1)本發明一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，通過將低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁和線圈同時集成在同一結構上，實現壓電-電磁復合式俘能，俘能器同時輸出較大的電壓和電流、拓展最佳負載應用范圍；
(2)本發明一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，由于動磁體與靜磁體之間的非線性磁力作用，實現低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、線圈在寬頻帶范圍俘能；
(3)本發明一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，通過非線性磁力和慣性力作用引起動磁體的非線性振動，通過與高頻壓電復合梁發生機械觸碰，實現俘能器在低頻振動環境下能夠發生高頻振動俘能，輸出較大的電能；
(4)本發明一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，解決了傳統振動俘能器在低頻振動環境中因諧振頻率低、俘能頻帶窄而導致輸出電能小的問題。
本發明的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的特征和優點從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
圖1為本發明非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器的裝配圖；
圖2為本發明非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器的剖面圖；
圖3為本發明低頻壓電復合梁與動磁體的裝配圖；
圖4為本發明低頻壓電復合梁的截面圖；
圖5為本發明高頻壓電復合梁示意圖；
圖中，1-低頻壓電復合梁；2-高頻壓電復合梁；3-動磁體；4-靜磁體；5-線圈；6-上電極層；7-壓電層；8-下電極層；9-低頻支撐梁；10-高頻支撐梁；11-邊框固定結構。
具體實施方式
下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明的原理。
本發明一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，在同一結構上同時集成了壓電俘能和電磁俘能兩種工作機理，并將上變頻俘能結構及非線性磁力集成在同一俘能結構中，實現在低頻振動環境中輸出較大電能、具備寬頻帶俘能效果、同時輸出較大的電壓和較大電流及更廣泛的最佳負載應用范圍。
實施例
本實施例一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，應用于振動頻率在10hz到1khz范圍內的環境中，通過本實施將環境的振動能量轉化為電能，實現為其他設備或器件自主供能。
本實施例集成了上變頻俘能結構和非線性磁作用力的壓電-電磁復合式寬頻帶振動俘能器，如圖1、2所示，包括低頻壓電復合梁1、高頻壓電復合梁2、動磁體3、靜磁體4、線圈5及邊框固定結構11，低頻壓電復合梁1的一端固連在邊框固定結構11的一個內壁面上，另一端為自由端；高頻壓電復合梁2的一端也固定在邊框固定結構11的內壁面上，另一端也為自由端，且高頻壓電復合梁2位于低頻壓電復合梁1的上方；動磁體3的一端與低頻壓電復合梁1的自由端相連；靜磁體4與動磁體3的另一端相對設置，固定在邊框固定結構11上與低頻壓電復合梁1和高頻壓電復合梁2固定面相對的另一側的內壁面上；線圈5位于邊框固定結構11的底面上，且位于動磁體3下端。
如圖3、4所示，低頻壓電復合梁1為多層結構的長方形板，本實施例中，低頻壓電復合梁1長4mm、寬2mm、厚0.3mm，其中，低頻壓電復合梁1在厚度方向為復合梁結構，自上至下依次為上電極層6、壓電層7、下電極層8、低頻支撐梁9，上電極層6、壓電層7、下電極層8、低頻支撐梁9的材質分別為金屬鋁、pzt、金屬鋁、不銹鋼，各層的寬度分別相等；上電極層6位于低頻壓電復合梁1的最上層，用于外接正極導線；壓電層7位于上電極層6的下層，在外激勵作用下產生正負電荷；下電極層8位于壓電層7的下層及支撐梁層的上層，用于外接負極導線；上電極層和下電極層的長度、寬度、厚度分別為4mm、2mm、0.05mm，壓電層材料為pzt，壓電層的長度、寬度、厚度為0.2mm；在低頻支撐梁9的上面依次用絲網印刷工藝分別制備下電極層8、壓電層7、上電極層6，上電極層6和下電極層8用于與外界負載相連，輸出壓電層7產生的能量。
低頻壓電復合梁1的一端固定在邊框固定結構11的內壁，另一端為自由端，自由端與動磁體3相連；低頻壓電復合梁1與動磁體3共同構成了梁-質量塊型結構，在外激勵作用下低頻壓電復合梁1輸出電壓信號；低頻壓電復合梁1位于高頻壓電復合梁2的下側，并與高頻壓電復合梁2在厚度方向上具有一定的間距，本實施例中間距為1mm，但并不僅限于本實施例的間距。
低頻壓電復合梁1受到動磁體3引起的慣性力和動、靜磁體4之間的非線性磁作用力，在外激勵作用下發生彎曲變形；低頻壓電復合梁1的振動響應為非線性振動響應，具備寬頻帶俘能能力。
動磁體3與低頻壓電復合梁1的自由端固定連接，動磁體3為長方體結構，動磁體3的長度為6mm、寬度為6mm、厚度為3mm，通過粘貼的方式固定于低頻壓電復合梁1上；動磁體3位于高頻壓電復合梁2的下方，并且與高頻壓電復合梁2之間具有一定的間距，間距為1mm，即動磁體3的上表面與低頻壓電復合梁1的上表面平齊；在外激勵作用下，動磁體3在慣性力作用下發生振動；所述的動磁體3在振動過程中受到靜磁體4相互作用產生的非線性作用力，振動響應為非線性振動；動磁體3的振動位移大于動磁體3與高頻壓電復合梁2之間的間隙，在外激勵作用下，動磁體3振動能夠機械觸碰到高頻壓電復合梁2的下表面，因此會使得高頻壓電復合梁2發生彎曲變形，激發高頻壓電復合梁2發生振動響應，動磁體3在振動過程中，穿過線圈5中的磁通量隨時間變化；動磁體3用于降低低頻壓電復合梁1的諧振頻率。
如圖5所示，高頻壓電復合梁2位于低頻壓電復合梁1和動磁體3的上側，一端為固定端，另一端為自由端；高頻壓電復合梁2為具有多層結構的長方形板，從上至下依次包括上電極層6、壓電層7、下電極層8、高頻支撐梁10，各層的寬度相等；上電極層6位于高頻壓電復合梁2的最上層，用于外接正極導線；壓電層7位于上電極層6的下層；下電極層8位于壓電層7的下層，用于外接負極導線；高頻支撐梁10位于下電極層8的下層；高頻壓電復合梁2的長度大于低頻壓電復合梁1的長度。本實施例中，高頻壓電復合梁2長10mm、寬6mm、厚0.2mm，其中，上電極層和下電極層的長度、寬度、厚度分別為10mm、6mm、0.05mm，壓電層材料為pzt，壓電層的長度、寬度、厚度分別為10mm、6mm、0.2mm；本實施例制備高頻壓電復合梁2的過程為：在高頻支撐梁10的上面依次用絲網印刷工藝分別制備下電極層8、壓電層7、上電極層6，下電極層8、壓電層7、上電極層6的材質分別為金屬鋁、pzt、金屬鋁；上電極層6和下電極層8用于與外界負載相連，輸出壓電層7產生的能量。
靜磁體4為長方體結構，靜磁體長3mm、寬3mm、厚2mm，靜磁體4通過粘結方式固定于邊框固定結構11上，與動磁體3的磁極面相對；靜磁體4與動磁體3之間存在非線性磁作用力，并且作用到低頻壓電復合梁1；在外激勵作用下，靜磁體4與動磁體3之間的非線性作用力用于增大俘能器的俘能帶寬；靜磁體4的高度與動磁體3的高度相等；靜磁體4與動磁體3之間有一定的間距，間距為4mm。
線圈5位于動磁體3下側，并固定于邊框固定結構11上；線圈5中通過的磁通量由于動磁體3的變化而隨時間發生變化，進而在線圈5中輸出電能；線圈5為平面線圈5，線圈5長6mm、寬6mm、厚0.2mm，線圈5由6層單層線圈組成，線圈5通過粘結的方式固定于邊框結構中，線圈5中輸出的電能由電磁感應定律引起，最佳負載為110歐姆。
邊框固定結構11為長方體空殼結構，低頻壓電復合梁1與高頻壓電復合梁2固定于邊框固定結構的左側，靜磁體4固定于邊框固定結構的右側，同時邊框固定結構11的前側為開口，邊框固定結構11的材質為塑料，長度、寬度、高度分別為19mm、10mm、10mm。
值得注意的，本實施例中低頻壓電復合梁1的頻率小于100hz，高頻壓電復合梁2的頻率是低頻壓電復合梁1的10倍左右。
值得注意的，低頻壓電復合梁1和高頻壓電復合梁2的輸出電能由壓電效應引起，最佳負載大小為18千歐，但不僅限于此，本發明負載能夠滿足幾千歐到兆歐范圍。
值得注意的，本實施例低頻壓電復合梁1可以由其他不同形狀或結構且能實現低頻振動的結構梁代替，如梯形梁結構或弓形梁結構。
值得注意的，本實施例高頻壓電復合梁2可以由其他不同形狀或結構且能實現高頻振動俘能的結構梁代替，如梯形梁結構或三角梁結構。
值得注意的，本實施例動磁體3的正下方可增加駐極體結構，相應的線圈用駐極體代替，本實施例駐極體結構為長方體結構，駐極體結構的長度、寬度分別與動磁鐵的長度、寬度相等，厚度為1mm；本實施例兩塊駐極體結構中一塊粘結于動磁鐵3正下方、一塊固定于邊框固定結構中與動磁鐵下方的駐極體相對。
值得注意的，本實施例低頻壓電復合梁1和高頻壓電復合梁2的組成可由上電極層、壓電層、下電極層、支撐梁、下電極層、上電極層所組成的復合結構層代替。
值得注意的，多層平面線圈可由立體纏繞線圈或單層平面線圈代替。
綜上所述，本發明提供了一種非線性壓電-電磁復合式寬頻帶俘能器，通過將低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁和線圈同時集成在同一結構上，實現壓電-電磁復合式俘能，俘能器同時輸出較大的電壓和電流、拓展最佳負載應用范圍；同時，由于動磁體與靜磁體之間的非線性磁力作用，實現低頻壓電復合梁、高頻壓電復合梁、線圈在寬頻帶范圍俘能。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。