CN102983779B - 一种磁耦合的压电振动能量俘获装置 - Google Patents

Abstract

一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，包括主横梁，主横梁上串联了1个以上的独立悬臂梁系统，每个悬臂梁系统包括竖梁等，在主横梁上面开有第一长槽，竖梁在未完全锁紧前能够沿着第一长槽进行滑动，在竖梁中间开有第二长槽，上梁在未完全锁紧前能够沿着第二长槽进行滑动，在下梁中间开有第三长槽，外加磁铁在未完全锁紧前能够沿着第三长槽进行滑动，外加磁铁与悬臂梁系统的下梁之间为活动连接，压电片粘贴于悬臂梁根部，两块端部磁铁质量块以不同极性相对，激振器将力通过主横梁传递给悬臂梁系统，本发明提高了压电系统的谐振频宽和能量回收效率，可全方位研究磁场位置及强度对系统发电性能和动力学特性的影响。

Description

一种磁耦合的压电振动能量俘获装置

技术领域

本发明属于压电振动能量发电技术领域，具体涉及一种磁耦合的压电振动能量俘获装置。

背景技术

近年来，随着电子技术、微机电技术、材料科学与技术和传感器技术等的飞速发展，大量无线传感器被应用到需要进行监测的结构、设备和环境中，这类传感器能够实时获取被监测对象的状态信息，可十分有效地提高应对紧急事件的速度、减少灾难性事件的发生、避免损失等；同时，由于没有线缆连接，稳定性好并且容易集成，具有非常好的应用前景。但是，目前大部分便携式电子设备和无线传感器均采用传统的不可充电的电池供电，这类电池不仅能量和寿命有限，而且使用完也存在污染、回收困难等问题，特别是嵌入到建筑物、桥梁的状态监测传感器和地点不确定的目标追踪传感器等特殊用途的传感器，更换电池的代价都很高甚至是不可能完成的工作。如果能获取周围环境中的能量，就可以用来替代电池或者对电池进行充电。通常我们把利用一种系统将周围环境中能量获取并转化为可利用能量的过程叫做能量回收，能量回收技术具有巨大的应用前景。因此，能量回收技术受到了国内外的高度关注和深入研究。

振动能量无处不在，日常生活中的桥梁、车辆、转子设备、路面、人体的运动和器官的活动等都存在大量的振动能量，这些振动能量相对稳定且广泛存在。回收振动能量的方法有电磁、静电和压电三种：电磁装置产生的电压很低，幅值一般小于0.1V，并且很难与电子设备集成；静电回收方法需要一个独立的电压源，结构复杂；压电振动能量回收电压幅值高、结构简单并且无须外接电源，同时具有比电磁和静电两种方法更高的能量密度和回收效率，因此是振动能量回收中最为有效方法，非常适合为无线传感器供电等。

在压电振动能量回收领域，悬臂梁式压电能量回收系统具有能量密度高、装置简单、易于实现等优点，被广泛研究和使用。然而，传统的线性压电悬臂梁共振频带过窄，与周围环境振动频率匹配较差，回收的能量严重受限于周围环境，俘获能量的效率比较低，得到的可利用的电能却十分有限，在很多情况下都很难充分满足实际需求，这也成为了压电能量回收在应用中的瓶颈。如何改变系统的动力学特性、有效拓宽其谐振频带一直是研究的热点和难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，有效地提高了压电系统的谐振频宽和能量回收效率，压电悬臂梁与外加磁铁之间在空间x、y、z三个方向的相对位置可以方便地调整、外加磁铁2-5可以沿着y轴方向旋转任意角度，可全方位研究磁场位置及强度对系统发电性能和动力学特性的影响。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，包括主横梁1，主横梁1上串联了1个以上的独立悬臂梁系统，每个悬臂梁系统包括竖梁2-1、上梁2-2、悬臂梁2-3、下梁2-4和外加磁铁2-5，主横梁1与竖梁2-1连接，在主横梁1上面二者的连接处开有第一长槽2-7，竖梁2-1在未完全锁紧前能够沿着第一长槽2-7进行滑动，即y方向自由移动；

竖梁2-1与悬臂梁系统的上梁2-2连接，在竖梁2-1中间开有第二长槽2-8，上梁2-2在未完全锁紧前能够沿着第二长槽2-8进行滑动，即x方向自由移动；

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4连接，在下梁2-4中间开有第三长槽2-9，外加磁铁2-5在未完全锁紧前能够沿着第三长槽2-9进行滑动，即z方向自由移动；

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4之间为活动连接，外加磁铁2-5能够沿着y轴旋转任意角度，并且外加磁铁2-5能够从装置中卸载下来；

上梁2-2与悬臂梁2-3连接。

压电片2-10通过导电胶粘贴于悬臂梁2-3根部，两块端部磁铁质量块2-6以不同极性相对，依靠引力作用互相吸引于悬臂梁2-3的端部。

本发明的优点为：

将传统的质量块更换为2块磁铁，由于自身具备一定的质量和较强的磁性既可以发挥质量块的功能，又可以增强悬臂梁的磁性，从而与外部磁铁之间产生更大的磁力。利用2块磁铁的不同极性相互吸引的作用吸附在悬臂梁端部的两侧。

本装置串联了1个以上的独立悬臂梁系统，可在同一时间内分别完成1种以上不同条件的实验，极大地节省了工作时间，提高了工作效率。

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4采用螺栓连接，外加磁铁2-5可以沿着y轴旋转任意角度，可以研究外加磁铁2-5处于不同角度时，装置的动力学特性以及能量俘获的能力；去掉外加磁铁2-5后的能量俘获装置即变为传统的压电式能量俘获装置，添加外加磁铁2-5后的能量俘获装置即为磁耦合的压电振动能量俘获装置，本装置既可以进行传统的压电能量俘获实验，也可以进行磁耦合的压电振动能量俘获实验。

将磁场非线性因素引入到压电振动能量俘获系统中，使得装置具备非线性动力学特性，有效克服了传统的线性压电悬臂梁谐振频带过窄的缺点。

设计的机械装置，使得压电悬臂梁与外加磁铁之间在空间x、y、z三个方向的相对位置可以方便地调整，外加磁铁2-5可以沿着y轴方向旋转任意角度，可研究磁场位置及强度，对系统发电性能和动力学特性的影响。

整个机械装置的各部分结构均可拆卸，便于放置、局部修改、升级及更换。

附图说明

图1-1为本发明的结构示意图。

图1-2为主横梁1的结构示意图。

图1-3为竖梁2-1的结构示意图。

图1-4为下梁2-4的结构示意图。

图1-5为压电磁悬臂梁的工作原理示意图。

图2、3、4、5、6和图7为基于相同的正弦波扫频信号激励，悬臂梁2-3与外加磁铁2-5处于一系列不同的相对位置时，压电系统所产生的开路电压。

图8是将图1-1中的外加磁铁2-5去掉后，实验装置变成传统的压电式能量俘获装置，基于相同的正弦波扫频信号激励，压电系统所产生的开路电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1-1，一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，包括主横梁1，主横梁1上串联了三个独立的悬臂梁系统，可在同一时间内分别完成三种不同条件的实验，大大节省了工作时间，提高了工作效率，每个悬臂梁系统包括竖梁2-1、上梁2-2、悬臂梁2-3、下梁2-4和外加磁铁2-5，主横梁1与竖梁2-1之间采用螺栓连接，参照图1-2，在主横梁1上面二者的连接处开有第一长槽2-7，螺栓在未完全锁紧前能够沿着第一长槽2-7进行滑动，从而使竖梁2-1能够沿着主横梁1的长度方向，即y方向自由移动，这样，悬臂梁2-3与外加磁铁2-5之间在y方向的距离可以调整；

竖梁2-1与悬臂梁系统的上梁2-2之间采用螺栓连接，参照图1-3，在竖梁2-1中间开有第二长槽2-8，螺栓在未完全锁紧前能够沿着第二长槽2-8进行滑动，从而实现上梁2-2能够沿着竖梁2-1的长度方向，即x方向自由移动。这样，悬臂梁2-3与外加磁铁2-5之间在x方向的距离可以调整。

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4之间采用螺栓连接，参照图1-4，在下梁2-4中间开有第三长槽2-9，螺栓在未完全锁紧前能够沿着第三长槽2-9进行滑动，从而实现外加磁铁2-5能够沿着上梁2-4的长度方向，即z方向自由移动。这样，悬臂梁2-3与外加磁铁2-5之间在z方向的距离可以调整。

上梁2-2与悬臂梁2-3之间采用螺栓连接。

压电片2-10通过导电胶粘贴于悬臂梁2-3根部，两块端部磁铁质量块2-6以不同极性相对，依靠引力互相吸引于悬臂梁2-3的端部。

本发明的工作原理为：

在进行振动实验时，激振器将力传递给主横梁1，然后由主横梁1传递给其上的三个独立的悬臂梁系统，当外部激励频率处于悬臂梁系统的谐振频带内时，悬臂梁2-3振动较为剧烈，此时帖子悬臂梁根部的压电片所受的力也较大，由于压电效应压电片内部电荷开始极化，在两端形成较多的极性相反大小相等的电荷，就是利用这些电荷进行振动发电，从而实现对振动能量的俘获。由于三个悬臂梁系统的工作原理完全一样，只分析其中一个悬臂梁系统。

参照图1-5，当装置受到沿z方向的激励时，悬臂梁2-3开始摆动，贴在悬臂梁根部的压电片受到力的作用，由于压电效应在压电片两端产生电荷，进而部件2-11两端产生电动势，部件2-11为单个电阻、负载电路或者储能装置。压电片2-10通过导电胶粘贴于悬臂梁根部，与悬臂梁一起运动。本设计中，利用磁铁之间极性相反互相吸引的原理，两块端部磁铁质量块2-6以不同极性相对，依靠引力互相吸引于悬臂梁的端部，端部磁铁质量块2-6的作用有两个，一是增加悬臂梁的磁性，使悬臂梁2-3与外加磁铁2-5之间的磁力在相同的距离时更大；二是由于端部磁铁质量块2-6本身具有质量，可以有效调节悬臂梁系统的共振频率。

对比图2、3、4、5、6、7与图8中开路电压，这些开路电压是基于相同的外界激励信号，由某公司型号为MSOX3052A的示波器采集。图2、3、4、5、6和图7为基于相同的正弦波扫频信号激励，悬臂梁2-3与外加磁铁2-5处于一系列不同的相对位置时，压电系统所产生的开路电压。实验中，部件2-11为示波器的内阻。d和h是悬臂梁2-3与外加磁铁2-5沿z方向和x方向的相对距离，通过调整d和h，可使得悬臂梁2-3与外加磁铁2-5处于不同的相对位置。

图2中d＝37mm，h=7.5mm；

图3中d＝42mm，h=7.5mm；

图4中d＝45mm，h=7.5mm；

图5中d＝50mm，h=7.5mm；

图6中d＝59mm，h=7.5mm；

图7中d＝67mm，h=7.5mm；

图8是将图1-2中的外加磁铁2-5去掉后，实验装置变成传统的压电式能量俘获装置，基于相同的正弦波扫频信号激励，压电系统所产生的开路电压。

不难发现，磁耦合下的压电悬臂梁系统的发电能力明显强于传统的压电悬臂梁系统，其谐振频宽为后者的数倍。磁场的位置与强度对压电系统的发电特性有显著的作用，可以使用本发明研究非线性磁耦合压电系统的动力学特性。

本发明中，压电悬臂梁与外加磁铁之间在空间x、y、z三个方向的相对位置可以方便地调整，外加磁铁2-5可以沿着y轴方向旋转任意角度，可研究磁场位置及强度对系统发电性能和动力学特性的影响。整个机械装置的各部分结构均可拆卸，便于放置、局部修改、升级及更换。

Claims (1)

1.一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，包括主横梁(1)，其特征在于：主横梁(1)上串联了1个以上的独立悬臂梁系统，每个悬臂梁系统包括竖梁(2-1)、上梁(2-2)、悬臂梁(2-3)、下梁(2-4)和外加磁铁(2-5)，主横梁(1)与竖梁(2-1)连接，在主横梁(1)上面二者的连接处开有第一长槽(2-7)，竖梁(2-1)在未完全锁紧前能够沿着第一长槽(2-7)进行滑动，即y方向自由移动；

竖梁(2-1)与悬臂梁系统的上梁(2-2)连接，在竖梁(2-1)中间开有第二长槽(2-8)，上梁(2-2)在未完全锁紧前能够沿着第二长槽(2-8)进行滑动，即x方向自由移动；

外加磁铁(2-5)与悬臂梁系统的下梁(2-4)连接，在下梁(2-4)中间开有第三长槽(2-9)，外加磁铁(2-5)在未完全锁紧前能够沿着第三长槽(2-9)进行滑动，即z方向自由移动；

外加磁铁(2-5)与悬臂梁系统的下梁(2-4)之间为活动连接，外加磁铁(2-5)能够沿着y轴旋转任意角度，并且外加磁铁(2-5)能够从装置中卸载下来；

上梁(2-2)与悬臂梁(2-3)连接；

压电片(2-10)通过导电胶粘贴于悬臂梁(2-3)根部，两块端部磁铁质量块(2-6)以不同极性相对，依靠引力作用互相吸引于悬臂梁(2-3)的端部。