一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置

摘要

本发明属于振动噪声控制及能量收集技术领域，涉及一种集宽频吸振和振动能量采集功能于一体的机械装置，主要由底板、非线性能量阱机构、振动能量收集单元三部分构成；其中，两端受压的屈曲梁与布置在两侧的磁力弹簧机构共同提供非线性能量阱所需求的纯立方非线性刚度，振动能量收集单元主要包括感应线圈。该装置能够在宽频范围内实现外界机械设备振动能量快速、高效、不可逆的转移至非线性能量阱机构，使设备振动得到抑制，而且非线性能量阱机构所吸收的能量能进一步通过电磁阻尼耗散，并转换成电能进行存储，从而实现振动控制与能量采集双重功能，具有吸振频带宽、吸振效率高、能量收集效率高等优点，且涉及的结构简单、紧凑，适应性强。

说明书

技术领域

本发明属于振动与噪声控制技术领域与振动能量收集技术领域，具体涉及一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置。

背景技术

众所周知，动力吸振器通常由质量块、弹簧及粘性阻尼构成，并被广泛应用于建筑、机械等结构中，传统的线性动力吸振器只有当吸振器固有频率等于结构的振动频率时才能有效抑制振动，并且具有两个共振峰值，为了克服线性动力吸振器只能在窄带频率范围内抑制振动的缺点，近年来，国内外许多学者研究成果表明在动力吸振器中引入非线性，能够有效增加振动抑制的带宽，使动力吸振器的鲁棒性显著提高。

非线性能量阱是利用靶能量传递现象实现振动抑制的非线性吸振器，通常指的是通过强非线性刚度及粘性阻尼连接与主结构的附加质量块，其附加质量块质量通常很小，但其强非线性刚度能够显著改变原系统的动力学特征，并在满足特定参数条件下，能够使系统振动能量局部化，并通过靶能量传递等非线性动力学现象使主系统振动能量不可逆的快速聚集在非线性能量阱中，并在非线性能量阱结构内通过阻尼耗散，从而有效抑制主系统振动。目前该技术最大的挑战在于如何通过物理机构实现具有强非线性刚度的非线性能量阱结构以及满足非线性能量阱特性的结构参数，专利CN103939521A提出利用两根弹性弦提供非线性刚度实现非线性能量阱结构，专利CN205134603U提出利用椭圆形橡胶体受压时产生非线性力实现非线性能量阱结构，但这些机构形式提供的非线性刚度均含有一定的线性项，使得非线性能量阱技术工程化有很大的局限性。

能量收集技术是目前物联网、电力、环保工程等领域的研究热点。特别是对于机械系统，大量的振动能量通过阻尼耗散造成了严重的资源浪费，很多学者开始研究如何将振动能量转换成电能形式储存，并为传感器等各类电子设备进行供能，从而为实现无线网络或者遥距网络供电需求创造有利条件。但是，振动能量收集效率只有在机械设备发生共振才能最大化，否者产生的电量微乎其微。共振现象会加剧机械设备的振动，加大了机械系统的噪声，对设备的寿命也是极大地损害。因此，如何将机械系统振动抑制效果与能量收集效率两者有机结合，是目前振动能量收集技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置，该装置可同时实现振动抑制和能量收集两个目标。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置，它包括底板和设置在底板上的非线性能量阱机构、振动能量收集单元；所述非线性能量阱机构用于吸收外部机械设备的振动能量，抑制机械设备振动，它包括两端固定的屈曲梁(两端承受一定预压力)以及对称设置在其两侧的质量块、中间磁铁和外部磁铁，其中质量块的一端与屈曲梁固定连接，另一端与中间磁铁的一端固连，使中间磁铁可随屈曲梁一起上下运动，外部磁铁的内端面与中间磁铁的外端面正对布置；中间磁铁和外部磁铁构成磁力弹簧机构，利用磁铁间的作用力来调节屈曲梁垂向的非线性回复力；所述振动能量收集单元用于将非线性能量阱吸收的外界能量通过电磁阻尼快速耗散，并转换成电能存储，它包括线圈，线圈设置在质量块和外部磁铁之间，且中间磁铁的悬臂端穿插于线圈的中空部位；外部磁铁、中间磁铁、质量块和线圈的轴线重合，整个振动能量收集装置沿屈曲梁长度方向以及质量块中轴线方向呈轴对称结构。

上述方案中，所述屈曲梁两端的预压力可调。

上述方案中，所述屈曲梁的两端分别固定在第一安装座上，第一安装座沿屈曲梁长度方向的位置可调(沿屈曲梁长度方向对称开设U型滑槽，并通过U型滑槽和螺栓与底板固定)；屈曲梁的两端分别正对布置挡板，挡板与安装座分别设置等高的螺纹通孔，采用第一螺栓和锁紧螺母沿屈曲梁长度方向连接挡板与安装座，第一螺栓与屈曲梁的中轴线重合；可通过调节第一安装座和挡板之间的第一螺栓(锁紧螺母)调节屈曲梁两端的预压力。

上述方案中，所述屈曲梁及其两侧的质量块通过螺栓连接固定。

上述方案中，所述中间磁铁可选用呈圆柱形等形状。

上述方案中，所述线圈为感应线圈。

上述方案中，所述线圈两端与外部储能电路相连，所述外部储能电路包括负载电阻、电感和电容等元件，用于存储中间磁铁随屈曲梁一起运动时，切割磁感线所产生的感应电动势。

上述方案中，所述外部磁铁沿轴线方向的位置可调，调节中间磁铁与外部磁铁轴向方向的间距。

上述方案中，所述外部磁铁设置在第二安装座上，第二安装座沿外部磁铁轴线对称开设U型滑槽，通过U型滑槽和螺栓与底板连接固定。

上述方案中，所述线圈位置沿轴线方向的位置可调，调节线圈端面与中间磁铁端面之间的间距。

上述方案中，所述线圈设置在绕线器上，绕线器的下部沿线圈中轴线对称开设U型滑槽，通过U型滑槽和螺栓与底板连接固定。

上述方案中，所述中间磁铁与外部磁铁，轴向充磁，相互之间产生排斥力；可采用NdFeB等强磁材料。

优选的，所述中间磁铁与外部磁铁为圆柱形。

本发明采用两端受压的屈曲梁与布置在两侧的磁力弹簧机构共同提供非线性能量阱所需求的纯立方非线性刚度，振动能量收集单元则主要由感应线圈以及外部整流电路组成；该装置能够在宽频范围内实现外界机械设备振动能量快速、高效、不可逆的转移至非线性能量阱机构，使设备振动得到抑制，而且非线性能量阱机构所吸收的能量能进一步通过电磁阻尼耗散，并转换成电能进行存储，从而实现振动控制与能量采集双重功能。本发明装置具有形式简单，结构紧凑，适应性强等优点，与传统的线性吸振器相比，其吸振频带更宽、吸振效率更高、能量收集效率更高，为振动能量收集技术提供了一条新思路。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用屈曲梁与磁力弹簧机构共同实现非线性能量阱所需要的纯立方非线性刚度，更加适合于工程设计需求；并且该装置具有更好的鲁棒性，能在宽频范围内同时实现振动抑制与振动能量收集两个目标，大幅提高吸振效率与能量收集效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置的三维结构图。

图2为本发明提供的一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置的主视图。

图3为本发明提供的一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置的俯视图。

图4为本发明提供的一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置的半剖左视图。

其中，1-底板，2-屈曲梁，3-第二安装座，4-外部磁铁，5-绕线器，6-线圈，7-中间磁铁，8-质量块，9-第一安装座，10-第一螺栓，11-T型挡板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1-4所示，一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置，它包括底板1、非线性能量阱机构和振动能量收集单元；底板1可通过悬挂或夹持的方式固定在需要减振的机械设备上，外表面设置非线性能量阱机构和振动能量收集单元，整个装置呈轴对称结构；

其中，非线性能量阱机构包括两端固定的屈曲梁2、中间磁铁7、外部磁铁4和质量块8，中间磁铁7、外部磁铁4均呈圆柱形，二者轴向充磁，相互之间产生排斥力；屈曲梁2沿其中心垂向方向对称固定两个圆柱形质量块8，两个质量块8的沿周向阵列分别开设正对的四个螺纹通孔，屈曲梁2对应位置也开设螺纹通孔，使屈曲梁2及其两侧的质量块2通过螺栓连接固定；质量块8的外端面开设沉头孔，将中间磁铁7的一端固定在沉头孔中(可添加强力胶水固定)，使中间磁铁7可随屈曲梁2一起上下运动；中间磁铁7的另一端(悬臂端)穿插于振动能量收集单元中的线圈6的中空部位，外部磁铁4的内端面与中间磁铁7的悬臂端正对布置在底板1上，质量块8、中间磁铁7和外部磁铁4三者中轴线重合；

屈曲梁2、线圈6和外部磁铁4分别固定在设置在底板1上的第一安装座9、绕线器5和第二安装座3上，绕线器5和第二安装座3的下部分别沿屈曲梁2中心垂向方向对称开设U型滑槽，并分别通过U型滑槽和螺栓与底板1连接固定，通过调节U型滑槽中的螺栓可调节中间磁铁7和外部磁铁4之间的间距以及线圈端面与中间磁铁端面之间的间距。中间磁铁7和外部磁铁4构成磁力弹簧机构，利用磁铁间的作用力来调节屈曲梁垂向的非线性回复力。

第一安装座9的上部分别固定两块间隔设置的压板，分别将屈曲梁2的两端嵌入两块压板之间并开设螺纹孔，并通过螺栓将屈曲梁2的两端固定在压板中；第一安装座9的下部沿屈曲梁2长度方向对称开设U型滑槽，并通过螺栓与底板1连接固定；屈曲梁2的两端还分别正对布置T型挡板11，T型挡板11的下部与底板1连接固定；T型挡板11的上部和开设螺纹通孔，第一安装座9与T型挡板11相对的一侧开设等高的螺纹孔，通过第一螺栓10和设置在第一安装座9与T型挡板11之间的锁紧螺母连接第一安装座9与T型挡板11，第一螺栓10与屈曲梁2的中轴线重合；通过调节第一安装座和挡板之间的第一螺栓(锁紧螺母)，可调节屈曲梁两端的预压力。

线圈6的两端与外部储能电路相连；其中外部储能电路包括负载电阻、电感、电容等元件，用于存储中间磁铁7随屈曲梁一起运动时，切割磁感线所产生的感应电动势。

本发明所提供的一种基于非线性能量阱的振动能量收集装置，其工作过程如下：该装置通过夹持或悬挂方式固定在待减振机械设备上，首先根据减振系统激励特性调节屈曲梁2两端所受预压力以及外部磁铁4与中间磁铁7之间的间距，使两者能够共同提供纯立方非线性刚度；当减振系统振动能量不可逆的传递至基于非线性能量阱的振动能量收集装置时，质量块8和中间磁铁7随屈曲梁2沿竖直方向一起振动，中间磁铁7切割线圈6内磁感线，非线性能量阱所吸收的振动能量被系统机械阻尼以及中间磁铁7和线圈6之间的电磁阻尼快速耗散，其中电磁阻尼所耗散的热能部分转化成电能，并可通过外部电路进行存储。由于该装置非线性能量阱机构满足纯立方非线性刚度，因此该装置吸收减振系统振动能量时不存在优势频率，无需对主系统进行频率跟踪，在宽频范围内都具备较好的吸振效果，同时具备较高的能量收集效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。