多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器

摘要

本发明提供了一种多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器，该装置将压电和电磁式换能技术相结合，把传统的压电式悬臂梁末端质量块用永磁体阵列替换，永磁体阵列与线圈磁芯骨架之间形成一个交替的闭合磁路，这使得采集器具有稳定的输出电压。同时，在传统的悬臂梁拾振系统上增加了一个基础激励弹性放大系统，弹性放大系统的质量块结构设计为半球状结构，通过平均分布在半球状基座周围的悬臂梁，实现采集装置的多方向采集性能。通过调节弹性放大系统和悬臂梁拾振系统的固有频率比值，可以改变采集装置的工作频带范围，最终构成多自由度多方向宽频带动能采集系统。因此，该装置在外界随机振动的环境下可以实现高效的能量采集。

说明书

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体是一种多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器。

背景技术

目前，无线传感器等微电子技术的迅速发展促使其对供电方式的要求进一步提升。传统的电池存在寿命短，存储能量有限以及定期更换电池会大幅度增加使用成本等缺陷，已经无法满足新型微电子技术对电源的特殊要求。能量采集技术可以将自然界中存在的太阳能、热能、风能、振动能等多种形式的能量转换为电能，该技术的兴起如今已经逐步解决了部分低功耗电子器件的供电问题。

振动能量作为一种新型环境能量，广泛存在于人类日常生活及工程实践中，正受到越来越多研究者的关注。振动能量采集技术将日常生活中广泛存在的振动能量进行收集，将机械能转换成电能，从而代替电池等传统供电方式为各种低功耗电子器件供电。

根据能量转换机理的不同，振动能量采集装置主要分为静电式、压电式及电磁式三大类。其中，静电式振动能量采集器主要采用可变电容，通过外界振动使极板发生相对运动，从而改变极板之间的间距或相对面积，进而改变电容大小把振动能转变为电能。压电式振动能量采集器利用压电材料的压电效应产生电能。当压电材料发生机械应变时，由于电荷的分离使得材料表面产生开路电压。电磁式振动能量采集器以法拉第电磁感应定律为工作原理，其结构中主要包括永磁体阵列和感应线圈绕组。在外界振动作用下，永磁体阵列和线圈之间产生相对运动，导致线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。相对于压电和电磁式，静电式能量采集装置由于需要初始电压，使其在需要独立供电的场合下受到了极大的限制。因此，压电与电磁式的振动能量采集器受到越来越广泛的关注。然而，目前所研究的采用单一换能模式的振动能量采集装置普遍存在工作频带窄、输出能量密度低等缺陷，影响了采集器的转换效率。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器，该采集装置将压电和电磁式换能技术相结合，并通过弹性放大系统将能量转换系统与振动基础相连，形成多自由度系统，进而对采集器的结构进行优化，实现多方向、宽频带能量采集及高效能量转换。

本发明包括拾振换能系统和弹性放大系统。

拾振换能系统包括若干上下表面粘贴有极性相反压电薄膜的悬臂梁，每根悬臂梁一端与同一基座相固连，另一端分别安装独立的永磁体阵列作为悬臂梁自由端质量块，悬臂梁自由端上下表面的永磁体极性相反，每组永磁体阵列外部均分布有相应的线圈绕组，线圈绕组固定在带有磁芯线圈骨架的外壳上，带有磁芯的线圈骨架与永磁体阵列磁场之间形成闭合磁路。

弹性放大系统即弹簧-阻尼-质量块系统。基座通过连接件与底部的平面弹簧相连接，平面弹簧通过弹簧固定件和螺栓固定在底座中。连接件通过底部外壳与带有磁芯线圈骨架的外壳固定，连接件、底部外壳和带有磁芯线圈骨架的外壳均为弹性放大系统的质量块的一部分。

当采集器整体受到外部环境振动时，平面弹簧带动弹性放大系统质量块一起运动，与质量块相连的悬臂梁也随之产生振动，由于弹性放大系统的存在使得激励悬臂梁振动的振幅要比基础激励振幅要大，因此，相对于传统的悬臂梁式动能采集器来说，在基础振动激励相同时，本发明的采集器中悬臂梁的振幅响应的增加提高了压电薄膜的输出电压和线圈绕组的感应电动势，拓宽了采集器工作频带。

进一步改进，所述的基座为半球状，悬臂梁为四根，分别与水平面呈45°角平均分布固定在半球状基座周围，使采集器具有多方向采集特性。

为了调节该系统固有频率以适应不同的外界环境，所述的半球状基座内部通过密封塞固定有金属球，基座内部可以放置不同密度的金属球，从而可以通过调节系统质量的方法来改变采集器的固有频率。

所述的永磁体阵列包括若干永磁体质量块，永磁体质量块之间用导磁板衔接，磁极方向沿悬臂梁轴向相反，线圈绕组分别布置在一个剖面结构为“E”型的磁芯骨架上，在结构振动过程中，第一线圈绕组、第二线圈绕组和第二线圈绕组、第三线圈绕组的磁芯与两块永磁体质量块和导磁板之间形成一个交替的闭合磁路。

本发明有益效果在于：

1、提供了多自由度压电-电磁复合式动能采集装置，该装置将压电式和电磁式能量转换技术相结合，跟传统的单一的采集方式相比，增加了输出能量密度和电能。

2、在单自由度压电振动能量采集器模型的基础上增加一个弹性放大系统，拓宽了采集器工作频带。

3、质量块设计为半球形，四根悬臂梁分布在质量块四周，使其具有多方向宽频带采集性能，提高了采集器采集效率。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图。

图2是本发明部分剖视图。

图3（a）是本发明的拾振结构主视图。

图3（b）是本发明的拾振结构俯视图。

图4是无弹性放大系统和带有弹性放大系统的幅频特性曲线比较图。

图5是本发明的能量转换装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明包括拾振换能系统和弹性放大系统，主要结构如图1和图2所示。

拾振换能系统中拾振结构的主视图和俯视图如图3（a）和图3（b）所示，该系统包括若干上下表面粘贴有极性相反压电薄膜3的悬臂梁2，每根悬臂梁2一端与同一基座12相固连，另一端分别安装独立的永磁体阵列1作为悬臂梁2自由端质量块，悬臂梁2自由端上下表面的永磁体极性相反，每组永磁体阵列1外部均分布有相应的线圈绕组5，线圈绕组5固定在带有磁芯线圈骨架的外壳4上，带有磁芯的线圈骨架与永磁体阵列磁场之间形成闭合磁路。

弹性放大系统即弹簧-阻尼-质量块系统，结构见图1和图2。基座12通过连接件9与底部的平面弹簧13相连接，平面弹簧13通过弹簧固定件6和螺栓14固定在底座7中。连接件9通过底部外壳8与带有磁芯线圈骨架的外壳4固定，连接件9、底部外壳8和带有磁芯线圈骨架的外壳4均为弹性放大系统的质量块的一部分。

当采集器整体受到外部环境振动时，平面弹簧13带动弹性放大系统质量块一起运动，与质量块相连的悬臂梁2也随之产生振动，由于弹性放大系统的存在使得激励悬臂梁2振动的振幅要比基础激励振幅要大，因此，相对于传统的悬臂梁式动能采集器来说，在基础振动激励相同时，本发明的采集器中悬臂梁2的振幅响应的增加提高了压电薄膜3的输出电压和线圈绕组5的感应电动势，拓宽了采集器工作频带。

基座12为半球状，悬臂梁2为四根，分别与水平面呈45°角平均分布固定在半球状基座12周围，使采集器具有多方向采集特性。

为了调节该系统固有频率以适应不同的外界环境，所述的半球状基座12内部通过密封塞10固定有金属球11，基座内部可以放置不同密度的金属球11，从而可以通过调节系统质量的方法来改变采集器的固有频率。

弹簧-阻尼-质量块的固有频率可以通过改变半球状基座12和密封塞10之间的金属球11密度和平面弹簧13的材料、厚度及其开孔半径来调节；悬臂梁系统的固有频率可以通过改变末端永磁铁1的质量和悬臂梁2的材料、长度及其厚度来调节。通过对这两个系统的固有频率进行调节，可以得到一个最佳共振区域，该区域具有频带宽、振幅响应明显增大等特点。

图4所示分别为无弹性放大系统和带有弹性放大系统的幅频特性曲线。可以明显地看出，由于振动的放大作用，从弹簧-阻尼-质量块系统输入到压电悬臂梁系统的激励幅值要大于直接输入到压电悬臂梁系统的激励幅值，从而增加了悬臂梁2的位移响应幅值，拓宽了采集器工作频带。

在图5所示的能量转换装置结构图中，悬臂梁2的上下表面分别粘贴有压电薄膜3，其中，上表面压电薄膜3-1与下表面压电薄膜3-2极性相反，当悬臂梁2向下弯曲时，上表面压电薄膜3-1受到拉应力，下表面压电薄膜3-2受到压应力，因此产生相反的机械应变，再通过串联连接将产生的电压进行叠加。永磁体质量块1-1安装在悬臂梁2自由端的上下表面，两块永磁体之间用导磁板1-2衔接，磁极方向沿悬臂梁2轴向相反，线圈绕组5分别布置在一个剖面结构为“E”型的磁芯骨架上。图中，当悬臂梁产生如图所示的弯曲振动时，第一线圈绕组5-1和第二线圈绕组5-2的磁芯与两块永磁体质量块1-1和导磁板1-2之间形成一个闭合磁路如图4所示。相反，当悬臂梁产生与图中相反的弯曲振动时，第二线圈绕组5-2和第三线圈绕组5-3的磁芯与永磁体质量块1-1及导磁板1-2之间则产生类似的闭合磁路。图中，导磁板1-2可以减小磁阻，从而增加通过线圈绕组5中的磁通变化量，最终改变感应电动势，提高能量转换率。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。