基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置

摘要

一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，包括底座、线圈、万向压电换能器、质量块、连接弹簧、高频永磁体、低频永磁体和低频弹簧。所述线圈设置于底座内部底面；质量块位于底座内部中心，并通过两个万向压电换能器与底座相连；万向压电换能器由两个角型弹性金属基片、刚性块、上层压电片和下层压电片组成，刚性块固定于角型弹性金属基片的弯角处，上层压电片和下层压电片分别粘贴于角型弹性金属基片的上、下两个表面；高频永磁体位于底座内部中心；质量块和高频永磁体通过连接弹簧相连；低频永磁体位于底座内部中心。此装置可实现对较低频率和不同环境振动方向条件下一定宽度频带内振动能量的有效收集，增强了装置的实用性。

说明书

技术领域

本发明属于新型能源和电子技术领域，特别涉及一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置。

 

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，并由此而造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找和开发新型能源的探索，比如太阳能、风能、波浪能等。振动作为日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的研究者的关注。目前，用于实现振动能量收集的装置主要有压电式、电磁式和静电式三种。对于这三种能量收集技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成振动能量收集装置的各元器件的寿命，清洁环保，是一种典型的“绿色”能源技术。

基于此，目前出现了各种样式的振动能量收集装置，如以压电材料为基础的悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，还有以电磁学为基础的动圈式、动铁式结构等，以及以电子学理论为基础的驻极体式结构等。纵观振动能量收集技术的研究现状，上述振动能量收集装置主要是单方向、单谐振频率的，且谐振频率较高，其使用场合对振动环境的选择性很强，这样在存在各种方向且振动频率在一定范围内变化的低频振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有限，限制了其大众化的推广使用。

因此本申请发明人于2014年1月3日申请了专利号为CN2014100022797和CN2014200029170，发明名称为“一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置”的专利以解决以上问题，但是其仍然存在如下问题：

1）该申请只能实现对较高频率环境振动的能量收集，因为在低频环境振动下，要想实现高效率的能量收集，必然要求其中的万向角节型压电换能器的刚度较小，以降低整个装置的固有频率，这就容易造成万向角节型压电换能器上粘贴的压电陶瓷片在振动中由于变形过大而产生碎裂，因此存在不能进行低频环境振动能量收集的缺陷。

2）该申请只能实现对某一频率振动能量的有效收集，即属于单谐振频率振动能量收集装置，因此存在不能在较宽频率范围内有效收集环境振动能量的缺陷。

针对以上缺陷，申请人重新进行设计，设计出本申请相关方案。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，其可弥补现有振动能量收集技术中振动能量收集装置只能敏感某个固定方向和某个固定频率的振动、能量收集效率低及固有频率较高等缺陷，无论振动方向如何变化，都能够在一定频率范围内较高效率的收集到低频环境振动能量。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，包括底座、线圈、万向压电换能器、质量块、连接弹簧、高频永磁体、低频永磁体和低频弹簧，所述线圈设置于底座内部底面，所述质量块位于底座内部中心，并通过两个万向压电换能器与底座相连；所述万向压电换能器由两个角型弹性金属基片、刚性块、上层压电片和下层压电片组成，所述刚性块固定于角型弹性金属基片的弯角处，所述上层压电片和下层压电片分别粘贴于角型弹性金属基片的上、下两个表面；所述高频永磁体位于底座内部中心，并通过两个万向压电换能器与底座相连；所述质量块和高频永磁体通过连接弹簧相连；所述低频永磁体位于底座内部中心，并通过两个低频弹簧与底座相连。

作为本发明的进一步改进，所述两个角型弹性金属基片呈垂直连接，经论证两个角型弹性金属基片呈垂直连接收集效率最大。

作为本发明的进一步改进，所述上层压电片和下层压电片为矩形形状，且沿厚度方向极化，虽然本发明压电片可沿不同方向极化，但是沿厚度方向极化后换能效果最佳。

作为本发明的进一步改进，所述角型弹性金属基片的夹角可以在0°至180°之间变化，本发明弯角可根据需要设计成不同的角度。

作为本发明的进一步改进，所述连接弹簧和低频弹簧的刚度大小不同，因为本发明对低频弹簧强度往往有要求，而对连接弹簧没有，因此本发明连接弹簧和低频弹簧刚度可以不同。

作为本发明的进一步改进，所述高频永磁体和低频永磁体安装时极向相同，本发明高频永磁体和低频永磁体安装时极向相同，也可以正常使用。

作为本发明的进一步改进，所述底座为振动能量收集装置壳体，本发明底座可为收集装置以便于将能量及时收集。

采用上述方案后，本发明通过设置底座、线圈、万向压电换能器、质量块、连接弹簧、高频永磁体、低频永磁体和低频弹簧，在环境振动频率较低或者不知道环境振动方向的情况或者环境振动频率在一定范围内变化时，也可以安装使用，装置适应性强；同时，振动能量收集装置中复合了压电式能量收集结构和电磁式能量收集结构，提高了振动能量收集装置的能量收集效率，进一步增强了装置的实用性。

与原申请相比，本申请还具有如下优势：

（1）本专利申请可以实现低频环境振动的能量收集。本专利申请中通过设置低频永磁体和高频永磁体，可以实现将低频环境振动转换为高频永磁体的高频振动，进而引起与高频永磁体连接的万向压电换能器的受迫振动，实现装置由机械能到电能的转换。

（2）本专利申请可以实现宽频带的能量收集。本专利申请中通过设置连接弹簧连接高频永磁体和质量块，并设置高频永磁体和质量块的质量不同，可以拓宽装置收集振动能量的频带，即实现装置在一定频率范围内较高效率的收集环境振动能量。

 

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中万向压电换能器的结构示意图；

具体部件如下：

1、底座；                2、线圈；      3、万向压电换能器；

31、角型弹性金属基片；   32、刚性块；   33、上层压电片；

34、下层压电片；         4、质量块；    5、连接弹簧；

6、高频永磁体；          7、低频永磁体；8、低频弹簧。

 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：

结合图1所示，本发明提供一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，包括底座1、线圈2、万向压电换能器3、质量块4、连接弹簧5、高频永磁体6、低频永磁体7和低频弹簧8，下面分别介绍。

底座1为中空的立方体结构，以放置线圈2、万向压电换能器3、质量块4、连接弹簧5、高频永磁体6、低频永磁体7和低频弹簧8。

线圈2放置于底座1内部底面，且为环形平面结构，其选用电阻率小的铜芯线制作，线圈2的匝数可根据输出电压要求和振动频率设计。

万向压电换能器3的数目可根据外界环境振动频率的变化范围不同进行设计，如在本实施例中设计为4个，其中，两个万向压电换能器3两端分别固定在底座1和质量快4上，另两个万向压电换能器3两端分别固定在底座1和高频永磁体6上；配合图2所示，万向压电换能器3由两个角型弹性金属基片31、刚性块32、上层压电片33和下层压电片34组成；其中，角型弹性金属基片31的夹角可以在0°至180°之间变化；上层压电片33和下层压电片34分别同向贴附于角型弹性金属基片31的上表面和下表面，用以借助正压电效应将机械能转化为电能，所述的上层压电片33和下层压电片34沿厚度方向极化；刚性块32设于角型弹性金属基片31的夹角处，用来刚性固定角型弹性金属基片31的夹角处以利于角型弹性金属基片31的弯曲变形，需要说明的是，万向压电换能器3振动的固有频率与外界环境无关，仅取决于万向压电换能器3的尺寸大小以及质量块4、高频永磁体6的质量。

    质量块4位于底座1内部中心，由金属材料制成，可为球形结构或立方体结构，并与万向压电换能器3连接。

    连接弹簧5的数目可根据万向压电换能器3和质量块4的数目不同进行设计，如在本实施例中设计为1个，且连接弹簧5连接着质量块4和高频永磁体6。

高频永磁体6由强磁材料制成，且连接着两个万向压电换能器3。

低频永磁体7由强磁材料制成，且连接着两个低频弹簧8。

低频弹簧8的数目为2个，两个低频弹簧8两端分别连接着底座1和低频永磁体7，且两个低频弹簧8和连接弹簧5刚度系数不同。

    本实施例在工作时，将装置置于某一具有多个方向或振动频率在一定范围内变化的复杂低频振动环境中，并借助底座1加以固定；环境中的低频振动将诱发装置中低频永磁体7产生受迫振动，当低频永磁体7向下运动时，低频永磁体7和高频永磁体6之间的作用力不断增大，从而吸引高频永磁体6向上运动，当低频永磁体7向上运动时，低频永磁体7和高频永磁体6之间的作用力不断减小，高频永磁体6在与其相连接的万向压电换能器3的弹性力作用下向下运动，从而导致高频永磁体6产生上下振动，由于高频永磁体6振动的固有频率远高于低频永磁体7振动的固有频率，从而实现装置由低频到高频的自激振动；高频永磁体6的高频振动进而引起与其连接的两个万向压电换能器3的受迫振动，角型弹性金属基片31将产生交替变化的弯曲变形，从而使得粘贴在角型弹性金属基片31上的上层压电片33和下层压电片34产生交替变化的弯曲变形，根据压电材料的正压电效应，在上层压电片33和下层压电片34的正负电极面上产生正、负相反的电荷，即实现了由机械能到电能的转换；由于粘贴时上层压电片33和下层压电片34的极化方向相反，因而在上层压电片33的上电极面和下层压电片34的下电极面将产生相同符号的电荷。由于本实施例的万向压电换能器3关于质量块4呈中心对称分布，且万向压电换能器3呈万向节形式，因而不同方向的振动均能够被感知。另外，通过设置高频永磁体6和质量块4具有不同的质量，并通过连接弹簧5相连接，从而拓宽了装置收集振动能量的频率范围。此外，由于在底座1内部底面设置线圈2，在低频永磁体7和高频永磁体6的受迫振动中，线圈2将会产生切割磁力线运动，从而在线圈2中会产生感应电流，即实现了该复合式能量收集装置电磁部分由机械能到电能的转换，通过在振动能量收集装置中集成压电式能量收集结构和电磁式收集结构，不仅优化了装置整体的外形尺寸，同时也提高了振动能量收集装置的发电量。由此可见，本发明实现了低频、多方向、宽频带的振动能量收集。

需要说明的是，本发明可广泛应用于野外通讯与传感网络设备、环境与气候变化的监测控制、建筑物（如桥梁、楼房等）和大型机械（如飞行器、轮船等）的结构健康监测等需要能源自给的领域，其中的多个万向换能器可用精密加工技术加工制作，以实现与微机电系统的集成；同时也可以采用传统加工工艺方法，如切割、焊接等，制成大尺寸结构，以进一步增大整体结构的发电量。

综上所述，本发明提出的基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，能感知任意方向且频率在一定范围内变化的低频环境振动，发电量较单一悬臂梁压电结构或电磁式结构明显增大，有效拓宽了该振动能量收集装置的使用范围，增强了其实用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。