CN105207524B - 半主动调频振动能量俘获器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半主动调频振动能量俘获器，包括电磁振动俘能组件(1)、基座(2)、电控板(3)、频率调节组件(4)和压电悬臂梁(5)，电磁振动俘能组件(1)、电控板(3)安装在基座(2)上，电磁振动俘能组件(1)与电控板(3)电联接，电控板(3)与频率调节组件(4)电联接，频率调节组件(4)安装在压电悬臂梁(5)末端，压电悬臂梁(5)首端固定连接在基座(2)上，压电悬臂梁(5)与电控板(3)电联接；本发明通过外界激励产生的感应电流控制压电悬臂梁末端质量块的位置从而调节压电悬臂梁的固有频率，能够在更宽的频域下可以自适应的半主动调频以俘获更多的能量，不需要外界输入能量进行控制，俘能效率较高。

Description

半主动调频振动能量俘获器

[技术领域]

本发明涉及振动能量俘获技术领域，具体地说是一种半主动调频振动能量俘获器。

[背景技术]

随着微电子技术的发展，微电子器件工作需要的能源更少,这使得俘获自然环境下的能量为微电子器件供电成为可能。俘获自然环境下的能量为微电子器件供电，不仅节能，而且不依赖外部电源更加便捷可靠，尤其在一些不方便进行外部供电或更换电池的工作环境中更是如此。机械振动是最普遍的可以俘获的能量。目前振动能量俘获技术主要分为三种类型：(1)利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能的电磁式；(2)利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式；(3)利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能的压电式。通过比较压电式、电磁式和静电式等俘能方法的能量密度，发现压电式具有更大的功率密度。而且，压电式俘能装置结构简单，便于系统模块化、集成化和微型化，有利应用于工程实践。

压电振动能量俘获器的结构设计对于提高能量俘获效率具有非常关键的作用。压电悬臂梁是最基本的振动俘能器结构。人们为了提高压电振动俘能器的俘能性能设计了很多种结构，比如双层压电悬臂梁、变厚度压电梁和施加预应力的压电膜等。而通过使压电振动俘能器共振增加压电材料的变形量从而增加能量俘获效率是一种有效的途径。因为自然环境下振动频率一般较低，很多研究者通过降低振动压电俘能器的固有频率以使之更容易在自然环境下共振从而提高俘能效率，设计了基于弹簧的振动能量俘获结构、基于高分子聚合物的振动能量俘获结构等。很多研究者设计了宽频的振动能量俘获器从而提高俘能效率，比如基于非线性的振动能量俘获器，主动调频的振动能量俘获器和悬臂压电梁阵列的俘能器等。

尽管如此，但自然环境下振动频率复杂多变，低频的振动俘能器应用受到局限，所谓宽频的振动俘能器适用的频域也很有限，而主动调频振动能量俘获器需要消耗能量进行控制，并不能有效的提高能量俘获效率，悬臂压电梁阵列虽然可以匹配多个激励频率，但整体利用率不高。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种半自动调频振动能量俘获器，能够在更宽的频域下俘获更多的能量，提高了俘能效率，克服了现有压电振动能量俘获器应用频域窄、俘能效率低的问题。

为实现上述目的设计一种半主动调频振动能量俘获器，包括电磁振动俘能组件1、基座2、电控板3、频率调节组件4和压电悬臂梁5，所述电磁振动俘能组件1、电控板3安装在基座2上，所述电磁振动俘能组件1与电控板3电联接，所述电控板3与频率调节组件4电联接，所述频率调节组件4安装在压电悬臂梁5末端，所述压电悬臂梁5首端固定连接在基座2上，所述压电悬臂梁5与电控板3电联接。

所述电磁振动俘能组件1由振动磁铁6、振动弹簧7和磁感应线圈8组成，所述磁感应线圈8安装在基座2上，所述振动弹簧7一端安装在磁感应线圈8内，所述振动弹簧7另一端装有振动磁铁6，所述磁感应线圈8与电控板3电联接。

所述电磁振动俘能组件1设有至少一个，至少一个所述电磁振动俘能组件1均与电控板3电联接。

所述频率调节组件4包括电磁铁一9、电磁铁二10、两个支座11、光轴12、滑动磁铁13和滑动弹簧14，所述电磁铁一9、电磁铁二10均通过支座11安装在压电悬臂梁5上，所述光轴12设置于两个支座11之间，所述光轴12上穿设有滑动弹簧14和滑动磁铁13，所述电磁铁一9、电磁铁二10均与电控板3电联接，所述电磁铁一9产生的磁场方向与滑动磁铁13磁场方向相同，所述电磁铁二10产生的磁场方向与滑动磁铁13磁场方向相反。

所述两个支座11均选用绝缘轻质材料制成，所述光轴12选用轻质材料且表面光滑材料制成，所述滑动弹簧14选用轻质弹性材料制成，所述滑动弹簧14始终处于压缩状态。

所述基座2的纵截面呈L型，所述电磁振动俘能组件1、电控板3安装在基座2的横向板上，所述压电悬臂梁5首端安装在基座2的纵向板上。

所述压电悬臂梁5包括轻质弹性悬臂梁15和压电片16，所述压电片16粘贴在轻质弹性悬臂梁15上。

所述压电片16设有一块，所述压电片16粘贴在轻质弹性悬臂梁15的上表面或下表面。

所述压电片16设有两块，两块所述压电片16分别粘贴在轻质弹性悬臂梁15的上表面和下表面。

本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，通过外界激励产生的感应电流控制压电悬臂梁末端质量块(滑动磁铁)的位置，从而调节压电悬臂梁的固有频率，使之接近激励频率，当压电悬臂梁产生共振产生较大的变形，从而产生更高的电压，即在更宽的频域下可以自适应的半主动调频以俘获更多的能量，不需要外界输入能量进行控制，俘能效率较高。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本发明中电磁振动俘能组件的结构示意图；

图4是本发明中频率调节组件的结构示意图；

图5是本发明的电控流程示意图；

图中：1、电磁振动俘能组件 2、基座 3、电控板 4、频率调节组件 5、压电悬臂梁6、振动磁铁 7、振动弹簧 8、磁感应线圈 9、电磁铁一 10、电磁铁二 11、支座 12、光轴 13、滑动磁铁 14、滑动弹簧 15轻质弹性悬臂梁 16、压电片。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1所示，本发明包括：电磁振动俘能组件1、基座2、电控板3、频率调节组件4和压电悬臂梁5，电磁振动俘能组件1、电控板3安装在基座2上，电磁振动俘能组件1与电控板3电联接，电控板3与频率调节组件4电联接，频率调节组件4安装在压电悬臂梁5末端，压电悬臂梁5首端固定连接在基座2上，压电悬臂梁5与电控板3电联接。其中，基座可为纵截面呈L型结构，电磁振动俘能组件、电控板安装在基座的横向板上，压电悬臂梁首端安装在基座的纵向板上。

如附图2所示，压电悬臂梁包括轻质弹性悬臂梁15和压电片16，压电片16粘贴在轻质弹性悬臂梁15上。其中，压电片16可设置有一块，压电片16粘贴在轻质弹性悬臂梁15的上表面或下表面。压电片16也可设置有两块，两块压电片16分别粘贴在轻质弹性悬臂梁15的上表面和下表面。

如附图3所示，电磁振动俘能组件由振动磁铁6、振动弹簧7和磁感应线圈8组成，磁感应线圈8安装在基座上，振动弹簧7一端安装在磁感应线圈8内，振动弹簧7另一端装有振动磁铁6，磁感应线圈8与电控板电联接。该电磁振动俘能组件可以设置有多个，多个电磁振动俘能组件均与电控板电联接，多个电磁振动俘能组件结构尺寸可以不同。

如附图4所示，频率调节组件包括电磁铁一9、电磁铁二10、两个支座11、光轴12、滑动磁铁13和滑动弹簧14，电磁铁一9、电磁铁二10均通过支座11安装在压电悬臂梁上，光轴12设置于两个支座11之间，光轴12上穿设有滑动弹簧14和滑动磁铁13，电磁铁一9、电磁铁二10均与电控板电联接，电磁铁一9产生的磁场方向与滑动磁铁13磁场方向相同，电磁铁二10产生的磁场方向与滑动磁铁13磁场方向相反。两个支座11均选用绝缘轻质材料制成，光轴12选用轻质材料且表面光滑材料制成，滑动弹簧14选用轻质弹性材料制成，滑动弹簧14始终处于压缩状态。压电悬臂梁产生的电压经过电控板的电路处理后，直接使用或存储备用。

如附图5所示，本发明的电控流程原理为：压电悬臂梁的固有频率依据工作环境中的振动频域按照一定比例设置，频率调节组件的结构参数依据压电悬臂梁的材料和结构尺寸设置。当基座受到激励时，电磁振动俘能组件的振动磁铁产生振动与磁感应线圈发生相对运动，磁感应线圈切割磁力线产生感应电流。激励频率越高，振动磁铁受迫振动的频率也越高，磁感应线圈产生的感应电流也越大。磁感应线圈产生的感应电流经过电路处理后接到频率调节组件的电磁铁一和电磁铁二，使电磁铁一产生与滑动磁铁方向一致的磁场，使电磁铁二产生与滑动磁铁方向相反的磁场。磁感应电流越大，电磁铁一和电磁铁二产生的磁感应强度也越大。电磁铁一对滑动磁铁有吸引力，电磁铁二对滑动磁铁有排斥力，两者的合力克服滑动弹簧的弹簧力使滑动磁铁移动从而改变滑动磁铁的位置。磁感应强度越大，产生的电磁力也越大，从而克服滑动弹簧的弹簧力使滑动磁铁移动的位移也越大，使滑动磁铁更靠近压电悬臂梁的固定端。滑动磁铁在压电悬臂梁的位置变化可以改变压电悬臂梁的固有频率，滑动磁铁越靠近压电悬臂梁的固定端，压电悬臂梁的固有频率也越高。如此，当激励频率变高时，压电悬臂梁的固有频率也会被调节变高，当激励频率变小时，压电悬臂梁的固有频率也会被调节变小。使压电悬臂梁的固有频率与激励频率接近，从而产生共振发生较大的变形，因为压电效应，会产生更大的电压，产生的电压经过电路处理后直接使用或存储备用。

本发明通过外界激励产生的感应电流控制压电悬臂梁末端质量块的位置，从而调节压电悬臂梁的固有频率，使之接近激励频率，压电悬臂梁产生共振产生较大的变形，从而产生更高的电压，即在更宽的频域下可以自适应的半主动调频以俘获更多的能量，不需要外界输入能量进行控制，俘能效率较高。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：包括电磁振动俘能组件(1)、基座(2)、电控板(3)、频率调节组件(4)和压电悬臂梁(5)，所述电磁振动俘能组件(1)、电控板(3)安装在基座(2)上，所述电磁振动俘能组件(1)与电控板(3)电联接，所述电控板(3)与频率调节组件(4)电联接，所述频率调节组件(4)安装在压电悬臂梁(5)末端，所述压电悬臂梁(5)首端固定连接在基座(2)上，所述压电悬臂梁(5)与电控板(3)电联接，所述频率调节组件(4)包括电磁铁一(9)、电磁铁二(10)、两个支座(11)、光轴(12)、滑动磁铁(13)和滑动弹簧(14)，所述电磁铁一(9)、电磁铁二(10)均通过支座(11)安装在压电悬臂梁(5)上，所述光轴(12)设置于两个支座(11)之间，所述光轴(12)上穿设有滑动弹簧(14)和滑动磁铁(13)，所述电磁铁一(9)、电磁铁二(10)均与电控板(3)电联接，所述电磁铁一(9)产生的磁场方向与滑动磁铁(13)磁场方向相同，所述电磁铁二(10)产生的磁场方向与滑动磁铁(13)磁场方向相反，所述电磁振动俘能组件(1)由振动磁铁(6)、振动弹簧(7)和磁感应线圈(8)组成，所述磁感应线圈(8)安装在基座(2)上，所述振动弹簧(7)一端安装在磁感应线圈(8)内，所述振动弹簧(7)另一端装有振动磁铁(6)，所述磁感应线圈(8)与电控板(3)电联接，所述磁感应线圈(8)产生的感应电流经过电路处理后接到频率调节组件(4)的电磁铁一(9)和电磁铁二(10)。

2.如权利要求1所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述电磁振动俘能组件(1)设有至少一个，至少一个所述电磁振动俘能组件(1)均与电控板(3)电联接。

3.如权利要求2所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述两个支座(11)均选用绝缘轻质材料制成，所述光轴(12)选用轻质材料且表面光滑材料制成，所述滑动弹簧(14)选用轻质弹性材料制成，所述滑动弹簧(14)始终处于压缩状态。

4.如权利要求3所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述基座(2)的纵截面呈L型，所述电磁振动俘能组件(1)、电控板(3)安装在基座(2)的横向板上，所述压电悬臂梁(5)首端安装在基座(2)的纵向板上。

5.如权利要求4所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述压电悬臂梁(5)包括轻质弹性悬臂梁(15)和压电片(16)，所述压电片(16)粘贴在轻质弹性悬臂梁(15)上。

6.如权利要求5所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述压电片(16)设有一块，所述压电片(16)粘贴在轻质弹性悬臂梁(15)的上表面或下表面。

7.如权利要求5所述的半主动调频振动能量俘获器，其特征在于：所述压电片(16)设有两块，两块所述压电片(16)分别粘贴在轻质弹性悬臂梁(15)的上表面和下表面。