CN103354434A - 双稳压电悬臂梁振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双稳压电悬臂梁振动能量采集器，其结构是：悬臂梁的自由端装有内磁铁，固定端安装在直角基座的垂直面。在直角基座的水平面上装有弹簧，弹簧的上端设有外磁铁，外磁铁与内磁铁的磁极性相对排斥设置，悬臂梁固定端距离直角基座垂直面2-3mm粘贴有压电片，由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。对于变化的环境随机激励振动，采用本装置可在结构参数固定不变情况下，更有效地转换电能。而刚性支撑外磁铁系统则需要根据环境激励强度的变化，不断地对磁铁的间距进行实时调整。将本装置设置在道路旁和具有振动激励背景下的场合，即可将振动能量转换为电能。
Description
技术领域
本发明属于振动或压电能量转换技术，具体涉及一种采用弹性支撑外部磁铁的双稳压电悬臂梁，对振动能量进行采集发电的装置。
背景技术
近年来，随着微电子和无线电波技术的发展，手持型电子设备和无线传感器进入了小型、低功耗化的时代。通常情况下，这些设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。但是众所周知，这种电池主要的缺点在于：一是（相对于微型传感器）体积相对较大，限制了微传感器的进一步小型化；二是供能时间或功率有限，使用一段时间后需要更换或者充电，尤其对处在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，这是个很苛刻的制约条件。由于能量采集器可把环境中的能量转换成电能，所以受到日益广泛的重视。
在振动能量采集器中，压电式振动能量采集方式较为普遍，它利用压电晶体（受到外界振动力）的作用而引起其内部电荷的流动而产生电能。由于直线型悬臂梁结构可产生最大的挠度和柔顺系数，具有较低的谐振频率和较宽的动态范围等优点，成为压电式振动能量采集器的首选结构。但是这种能量采集器的缺陷是达到最大输出的激励信号频带过窄，很难与环境中较宽频率范围（以低频分量较为常见）的有效振动激励相匹配。为克服此缺陷，非线性压电悬臂梁振动能量采集器成为研究热点，这种能量采集器能够在宽频谱范围上表现出更好的振动能量采集性能。
从结构上，非线性压电悬臂梁振动能量采集器的外部磁铁的支撑通常是刚性支撑，其压电悬臂梁随振动激励围绕外部磁铁进行双稳态振荡。当振动激励强度不足时，悬臂梁的响应无法达到大幅度的双稳跃迁振荡，从而降低了机电能量转换效率。为了提高转换效率，那么支撑外部磁铁的结构就成为关键问题。本发明提出可使该问题得到解决。
发明内容
本发明的目的是，提出了一种弹性支撑外部磁铁的结构，可保证系统在低强度激励条件下也能处于双稳状态振荡，实现机电能量转换效率的提高。
以下结合附图对本发明的技术方案予以说明。双稳压电悬臂梁振动能量采集器包括：悬臂梁、内磁铁、直角基座、弹簧、外磁铁以及压电片等，其技术结构是：悬臂梁的自由端装有内磁铁，悬臂梁的固定端固定安装在直角基座的垂直面，在直角基座的水平面上装有弹簧，弹簧的上端设有外磁铁，外磁铁与内磁铁的磁极性相对排斥设置，悬臂梁的固定端距离直角基座垂直面2-3mm粘贴有压电片，由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。当弹簧支撑的外磁铁与悬臂梁支撑的内磁铁距离调整至合适的位置后，其能量采集输出平均电压可取得最优值，这是由于弹性支撑外部磁铁的双稳压电悬臂梁系统具有随时间变化的势函数，系统可以在低强度或高强度变化的环境激励条件下，仍然能够达到双稳的跃迁振荡，因此系统可实现高效率的机电能量转换。
本发明的原理是，位于悬臂梁上的内磁铁与外磁铁因极性相同而相互排斥，并依据其技术结构组成双稳系统。当外界环境振动激励达到一定强度时，悬臂梁可以形成围绕初始平衡位置产生双稳跃迁振荡。采用外磁铁弹性支撑结构，当环境振动为随机激励时，两个稳定平衡点位置会随着时间不断变化，因此跃迁振荡极限位置也随时间随机变化。跃迁振动过程中，悬臂梁上下弯曲使得梁表面上的压电片变形，根据正压电效应，压电片会有电荷产生，经过电能输出引线可将产生的电能或电压输出。
本发明的特点和有益的效果在于：对于变化的环境随机激励振动，采用弹性支撑外部磁铁的双稳压电悬臂梁，在结构参数固定不变情况下，系统能够更有效地将强度变化的随机振动激励能量转换为电能。而刚性支撑外磁铁系统则需要根据环境激励强度的变化，不断地对磁铁的间距进行实时调整。将本装置设置在道路旁和具有振动激励背景下的场合，即可将振动能量转换为电能。
附图说明
图1是本发明的结构与原理示意图。
图2是激励水平为1V时弹性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
图3是激励水平为0.5V时弹性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
图4是激励水平为0.1V时弹性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
图5是激励水平为1V时刚性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
图6是激励水平为0.5V时刚性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
图7是激励水平为0.1V时刚性支撑外部磁铁系统输出的电压波形。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
双稳压电悬臂梁振动能量采集器的结构组成是：悬臂梁1的自由端装有内磁铁4，悬臂梁的固定端固定安装在直角基座2的垂直面，在直角基座的水平面上装有弹簧3，弹簧的上端设有外磁铁5，外磁铁与内磁铁的磁极性相对排斥设置，悬臂梁的固定端距离直角基座垂直面2-3mm粘贴有压电片6，由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。内磁铁与外磁铁的间距可根据系统的具体结构参数（如悬臂梁尺寸、磁铁尺寸、弹簧刚度等）计算并实验确定。
作为实施例：内外磁铁的间距为8mm。悬臂梁材料为铜，其结构尺寸参数为：长度60mm，宽度10mm，厚度0.3mm。压电片的尺寸参数为：长53mm，宽10mm，厚0.3mm。压电片粘贴在悬臂梁表面固定端部，距直角基座墙表面2mm。内磁铁的材料为钕铁硼（Nd2Fe14B），其结构尺寸参数为：长5mm，宽10mm，高20mm。内磁铁粘贴在悬臂梁自由端处。弹簧一端与直角基座平面固定，另一端与外磁铁固定。弹簧材料为65Mn钢，弹簧刚度为445N/m，外磁铁的材料亦为钕铁硼，其结构尺寸参数与内磁铁的一致。
将本装置安装在激振台上进行不同强度激励实验，得到图2～图4的输出电压波形，其激振台激励强度分别为1V、0.5V和0.1V三个激励水平，得到相应的输出电压均方值Vrms分别为0.9299V，0.6575V和0.2975V。为了比较弹性与刚性支撑外部磁铁结构的实施效果，图5～图7是刚性支撑外部磁铁结构的输出电压波形。内外磁铁的间距仍然为8mm，激振台激励强度仍然分别为1V、0.5V和0.1V三个激励水平，三个相应的输出电压均方值Vrms分别为0.6744V，0.4953V和0.2374V。从总体输出电压值上可以看到，弹性支撑系统比刚性支撑系统能够转换输出更高效率的电能。说明本发明放置在变化强度的振动激励环境中，可以有效获取振动能量并转换为电能。
Claims (2)
1.双稳压电悬臂梁振动能量采集器，包括：悬臂梁、内磁铁、直角基座、弹簧、外磁铁以及压电片等，其特征是：悬臂梁（1）的自由端装有内磁铁（4），悬臂梁的固定端固定安装在直角基座（2）的垂直面，在直角基座的水平面上装有弹簧（3），弹簧的上端设有外磁铁（5），外磁铁与内磁铁的磁极性相对排斥设置，悬臂梁的固定端距离直角基座垂直面2-3mm粘贴有压电片（6），由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。
2.按照权利要求1所述的双稳压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述内磁铁（4）与外磁铁（5）的间距6-9mm。
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Application publication date: 20131016 |