一种曲柄连杆式电磁压电复合能量收集装置技术领域
本发明属于能量回收技术领域，涉及电磁压电复合能量转换技术，具体涉及一种
曲柄连杆式电磁压电复合能量收集装置。
背景技术
世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭等的广泛应用，因而它
是建立在化石能源基础之上的一种经济。大量使用化石能源会增大碳排放量，加剧温室效
应。同时，化石能源与原料链条一旦中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，并导致能
源危机的爆发。在能源短缺日趋严重的今天，用清洁可再生能源替代传统的化石能源具有
举足轻重的意义。
能量收集技术可以将环境中的水能、风能、振动能等清洁可再生能源收集起来，通
过能量收集装置转换成电能输出和存储,具有重大的研究价值和良好的发展前景。能量收
集的主要方法是利用静电、电磁、压电等效应，将环境中的水能、风能、振动能等转换成电
能。如一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，该装置由一根末端粘贴有磁铁块的压电双晶
梁和两个多匝线圈组成。在振动过程中，压电双晶梁上下表面的压电元件受到应力和应变
的作用会产生电荷输出。同时，压电双晶梁振动使得其末端的磁铁块与两边的多匝线圈发
生相对运动，从而使线圈中产生感应电流。虽然该结构同时采用了电磁、压电双重效应进行
发电；但是，压电双晶梁主要依靠外界环境中的振动激励来产生振动，只有当环境中的振动
激励频率与压电双晶梁自身固有频率相接近时才能产生大幅振动，而自然环境中的振动往
往是低频的随机振动，因此该装置中的压电双晶梁的振动幅度十分有限，压电元件的变形
量也不大，压电效应较弱。同时压电双晶梁末端的磁铁块与两边多匝线圈的相对位移也较
小，磁通量变化不明显，电磁发电效率也较低。因此设计一种对环境中振动激励频率依赖性
小、线圈与磁铁的相对运动明显、磁通量变化率大的电磁压电复合能量收集装置具有较大
的意义和研究价值。
发明内容
为了弥补普通的电磁压电复合能量收集装置应用范围小、工作频带窄、环境适应
性差、发电效率低等缺陷，本发明提供一种曲柄连杆式电磁压电复合能量收集装置。
一种曲柄连杆式电磁压电复合能量收集装置包括底盘1、曲柄连杆滑块机构、旋转
输入机构和电磁压电机构；
所述底盘1的一侧面上设有呈放射状的四条以上的滑槽，四条以上的滑槽的一端汇聚
在底盘1的中心；
所述曲柄连杆滑块机构包括曲柄5、四根以上的连杆6和四块以上的滑块7，四根以上的
连杆6的一端分别对应转动连接着一块滑块7，四根以上的连杆6的另一端分别转动连接着
曲柄5的一端，曲柄5的另一端连接着转轴3的一端；四块以上的滑块7分别对应位于四条以
上的滑槽内；
所述旋转输入机构位于底盘1的另一侧面，旋转输入机构为质量摆杆机构或转轮机构，
且与转轴3的另一端相连；
所述电磁压电机构包括四只以上的压电双晶梁机构、四块以上的磁铁块8和均布在每
条滑槽两侧的线圈10；每个压电双晶梁机构包括至少一对压电双晶梁，压电双晶梁的一端
均对应连接着底盘1的圆周，且位于相邻两条滑槽之间的底盘1上，压电双晶梁的另一端分
别连接着悬臂磁铁块9；四块以上的磁铁块8分别对应设于四块以上的滑块7上；每条滑槽两
侧和对应均布的线圈10之间设有绝缘材料；
工作时，在外界激励的作用下，旋转输入机构发生转动并带动曲柄5转动，实现滑块7带
着磁铁块8在滑槽内的往复移动，滑槽两侧的多匝线圈10感受到磁通量的变化并产生感应
电流，电流通过导线引出；另一方面，滑块7在滑槽内的往复移动过程中也会吸引压电双晶
梁4上的悬臂磁铁块9，在悬臂磁铁块9所受的吸引力和环境振动激励的双重作用下，压电双
晶梁4发生大幅振动和弯曲变形并产生电荷输出。
进一步限定的技术方案如下：
所述底盘1中心设有与所述转轴配合的轴筒；底盘1的外圆周设有边框，压电双晶梁的
一端均对应连接着底盘1的边框。
所述底盘1和滑槽的材料为铜或铝。
所述质量摆杆机构由摆杆2和质量块21组成，摆杆2的下端固定连接着质量块21，
摆杆2的上端通过转轴3连接着曲柄5的另一端。
所述转轮机构包括切击式水轮11，切击式水轮11通过转轴3连接着曲柄5的另一
端。
所述曲柄5、连杆6和滑块7的材料均为铜或铝。
所述滑块7为管状，所述磁铁块8固定设于管状滑块7内。
所述磁铁块8的磁化方向垂直于所述滑块7的滑动方向，且平行于滑槽两侧的线圈
10的轴线方向。
所述磁铁块8和悬臂磁铁块9的材料均为钕铁硼永磁铁。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明实用性强，其实施方式具有多样性，应用范围广泛，既可以用于收集环境中的
振动能，也可以用于收集流体动能。通过收集环境中的振动能量，可为微型传感器、无线通
讯器件等低功耗的微电子元器件供能；通过收集水流动能，可为水下航行器、海洋浮标等设
备补充能量；还可以作为风力发电场的辅助发电设备，有效提高低风季节的风能发电效率。
2、本发明是一种电磁压电复合能量收集装置，运用电磁感应现象和压电效应两种
能量转换机理，多根压电双晶梁和多组感应线圈同时工作，空间结构利用率更高，能量采集
效率也可得到有效提高。
3、本发明使用了曲柄连杆滑块机构，通过将外界的振动或流体的流动转换成曲柄
的转动，进而实现多个滑块和磁铁同时进行往复滑动，磁铁与线圈的相对位移和相对速度
都较大，可有效提高多匝线圈阵列的磁通量变化率。通过磁铁吸引带动压电双晶梁振动，可
有效减轻压电双晶梁对外界环境中振动激励的依赖性，提高压电双晶梁的振幅和压电元件
的变形量，即使在环境中振动激励频率较低的时候仍然能有较高的能量收集效率。
附图说明
图1为本发明结构正面示意图。
图2为本发明结构背面示意图。
图 3为底盘和电磁压电机构示意图。
图 4为曲柄连杆滑块机构和质量摆杆机构配合结构示意图。
图 5为图4的局部视图。
图 6为曲柄连杆滑块机构和滑槽配合状态图。
图 7为转轮机构和底盘配合结构示意图。
图 8为曲柄连杆和转轮机构配合结构示意图。
图 9为图8的局部视图。
图 10为五条滑槽的底盘和曲柄连杆滑块机构配合示意图。
图11为五条滑槽的底盘结构示意图。
上图中序号：底盘1、摆杆2、质量块21、转轴3、压电双晶梁4、曲柄5、连杆6、滑块7、
磁铁块8、悬臂磁铁块9、线圈10、切击式水轮11。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1和图2，一种曲柄连杆式电磁压电复合能量收集装置包括底盘1、曲柄连杆滑块
机构、旋转输入机构和电磁压电机构。
参见图3，底盘1的一侧面上设有呈放射状的四条滑槽，四条滑槽的一端汇聚在底
盘1的中心。所述底盘1中心的轴向设有轴筒；底盘1的外圆周设有边框。底盘和滑槽的材料
为铝。
参见图4和图6，曲柄连杆滑块机构包括曲柄5、四根连杆6和四块滑块7。四根连杆6
的一端分别对应转动连接着一块滑块7，四根连杆6的另一端分别转动连接着曲柄5的一端，
曲柄5的另一端安装有转轴；四块滑块7分别对应位于四条滑槽内。曲柄5、连杆6和滑块7的
材料均为铝。
参见图5，旋转输入机构位于底盘1的另一侧面，旋转输入机构为质量摆杆机构，质
量摆杆机构由摆杆2和质量块21组成，摆杆2的下端固定连接着质量块21，摆杆2的上端通过
转轴3连接着曲柄5的另一端。
参见图1和图3，电磁压电机构包括四个压电双晶梁机构、四块磁铁块8和均布在每
条滑槽两侧的线圈10；每个压电双晶梁机构包括一对压电双晶梁4，压电双晶梁4的一端均
对应连接着底盘1圆周的边框，且位于相邻两条滑槽之间的底盘1上，压电双晶梁4的另一端
分别连接着悬臂磁铁块9；四块磁铁块8分别对应着四块滑块7，滑块7为管状，磁铁块8固定
安装于管状滑块7内。磁铁块8的磁化方向垂直于滑块7的滑动方向，且平行于滑槽两侧的线
圈10的轴线方向。每条滑槽两侧和对应均布的线圈10之间安装有绝缘材料。磁铁块8和悬臂
磁铁块9的材料均为钕铁硼永磁铁。
工作时，在外界激励的作用下，摆杆2的摆动通过转轴3带动曲柄5转动，实现滑块7
带着磁铁块8在滑槽内的往复移动，滑槽两侧的多匝线圈10感受到磁通量的变化并产生感
应电流，电流通过导线引出；另一方面，滑块7在滑槽内的往复移动过程中也会吸引压电双
晶梁4上的悬臂磁铁块9，在悬臂磁铁块9所受的吸引力和环境振动激励的双重作用下，压电
双晶梁4发生大幅振动和弯曲变形并产生电荷输出。
实施例2
参见图7、图8和图9，旋转输入机构为转轮机构，转轮机构包括切击式水轮11，切击式水
轮11通过转轴3连接着曲柄5的另一端。
其它结构同实施例1。
工作时，当有流体从切击式水轮11侧面流过时，切击式水轮11的转动通过转轴3带
动曲柄5转动，其它工作原理同实施例1。
实施例3
参见图10和图11，底盘1的一侧面上设有呈放射状的五条滑槽；曲柄连杆滑块机构包括
曲柄5、五根连杆6和五块滑块7。
其它结构同实施例1。
工作原理同实施例1。