CN105226994A - 多频耦合振动能量俘获器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多频耦合振动能量俘获器，包括压电悬臂梁(1)、基架(3)和电控板(4)，压电悬臂梁(1)安装在基架(3)上，压电悬臂梁(1)上安置有永磁铁(2)，压电悬臂梁(1)设有多个，多个压电悬臂梁(1)长度相同、厚度不同，永磁铁(2)安置于多个压电悬臂梁(1)的相同位置处，压电悬臂梁(1)通过线路连接电控板(4)，压电悬臂梁(1)由金属片(5)、压电片(6)和银电极面(7)组成；本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，利用多个具有不同固有频率的压电悬臂梁通过磁力耦合，任一压电悬臂梁共振产生较大的变形时，会迫使其他压电悬臂梁变形，在更宽的频域下，可以俘获更多的能量，俘能效率较高。
Description
[技术领域]
本发明涉及振动能量俘获技术领域，具体地说是一种多频耦合振动能量俘获器。
[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多频耦合振动能量俘获器，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，实现了在更宽的频域下可以俘获更多的能量，俘能效率较高。
为实现上述目的设计一种多频耦合振动能量俘获器，包括压电悬臂梁1、基架3和电控板4，所述压电悬臂梁1安装在基架3上，所述压电悬臂梁1上安置有永磁铁2，所述压电悬臂梁1设有多个，多个所述压电悬臂梁1长度相同、厚度不同，所述永磁铁2安置于多个压电悬臂梁1的相同位置处，所述压电悬臂梁1通过线路连接电控板4。
所述压电悬臂梁1由金属片5、压电片6和银电极面7组成，多个所述压电悬臂梁1的金属片5长度相同、厚度不同，所述压电片6安装在金属片5上，所述银电极面7安装在压电片6上。
所述永磁铁2安置于压电悬臂梁1的末端或/和始端，相邻的所述压电悬臂梁1上安置的永磁铁2磁极方向相反。
所述压电片6采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成。
所述压电悬臂梁1与基架3绝缘连接。
所述压电悬臂梁1产生的电压经过电控板4的电路处理后并联或串联至超级电容器。
本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，由于多个具有不同固有频率的压电悬臂梁通过磁力耦合，当激励频率与某一个压电悬臂梁固有频率接近时，某一压电悬臂梁共振产生较大的变形，同时通过磁力作用，迫使其他压电悬臂梁变形，从而俘获更多能量，当激励频率发生变化与另一压电悬臂梁固有频率接近，另一压电悬臂梁共振产生较大的变形，也同时通过磁力作用，迫使其他压电悬臂梁变形，从而实现了在更宽的频域下可以俘获更多的能量，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是本发明中压电悬臂梁及永磁铁阵列示意图一；
图4是本发明中压电悬臂梁及永磁铁阵列示意图二；
图5是本发明的能量俘获电路示意图；
图中：1、压电悬臂梁2、永磁铁3、基架4、电控板5、金属片6、压电片7、银电极面。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
本发明包括：压电悬臂梁1、基架3和电控板4，压电悬臂梁1安装在基架3上，压电悬臂梁1上安置有永磁铁2，压电悬臂梁1设有多个，多个压电悬臂梁1长度相同、厚度不同，永磁铁2安置于多个压电悬臂梁1的相同位置处，压电悬臂梁1通过线路连接电控板4。
本发明中，压电悬臂梁由金属片5、压电片6和银电极面7组成，如附图2所示，多个压电悬臂梁的金属片5长度相同、厚度不同，多个压电悬臂梁的金属片5厚度与多个压电悬臂梁的固有频率相关，多个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分布；压电片6安装在金属片5上，银电极面7安装在压电片6上，压电片6采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成。
本发明中，永磁铁2安置于压电悬臂梁1的末端或/和始端，该永磁铁2也可以多个安置在压电悬臂梁的其他位置，相邻的压电悬臂梁1上安置的永磁铁2磁极方向相反。如附图3所示，永磁铁安置于压电悬臂梁的末端；如附图4所示，压电悬臂梁的末端和始端均安置有永磁铁；该附图3和附图4中，白色代表磁铁N极，黑色代表磁铁S极。多个压电悬臂梁1与基架3绝缘连接，多个压电悬臂梁1产生的电压经过电控板4的电路处理后并联或串联，以直接使用或存储在超级电容器备用，如附图5所示。若存储在超级电容器备用，则多个压电悬臂梁产生的电压经过电控板的电路处理后并联或串联至超级电容器。
本发明中，多频耦合振动能量俘获器的多个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分布，当基架受到激励时，如果激励频率与某一压电悬臂梁固有频率接近，某一压电悬臂梁产生共振会有较大的变形，同时这一压电悬臂梁通过磁力作用，迫使相邻的压电悬臂梁变形，相邻的压电悬臂梁变形时通过磁力使其他压电悬臂梁变形，压电悬臂梁变形时压电片也产生变形，因为压电效应在压电悬臂梁的两银电极面产生电压，当激励频率发生变化与另一压电悬臂梁固有频率接近，另一压电悬臂梁共振产生较大的变形，也同时通过磁力作用，迫使其他压电悬臂梁变形。多个压电悬臂梁的两银电极面产生的电压通过电路处理后并联或串联，直接使用或存储在超级电容备用。
由于多个具有不同固有频率的压电悬臂梁通过磁力耦合，当激励频率与任一压电悬臂梁固有频率接近时，任一压电悬臂梁共振产生较大的变形，同时通过磁力作用，迫使其他压电悬臂梁变形，从而俘获更多能量，即在更宽的频域下，多个具有不同固有频率的压电悬臂梁通过磁力耦合产生较大的变形，可以俘获更多的能量，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 (6)
1.一种多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：包括压电悬臂梁(1)、基架(3)和电控板(4)，所述压电悬臂梁(1)安装在基架(3)上，所述压电悬臂梁(1)上安置有永磁铁(2)，所述压电悬臂梁(1)设有多个，多个所述压电悬臂梁(1)长度相同、厚度不同，所述永磁铁(2)安置于多个压电悬臂梁(1)的相同位置处，所述压电悬臂梁(1)通过线路连接电控板(4)。
2.如权利要求1所述的多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：所述压电悬臂梁(1)由金属片(5)、压电片(6)和银电极面(7)组成，多个所述压电悬臂梁(1)的金属片(5)长度相同、厚度不同，所述压电片(6)安装在金属片(5)上，所述银电极面(7)安装在压电片(6)上。
3.如权利要求1或2所述的多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：所述永磁铁(2)安置于压电悬臂梁(1)的末端或/和始端，相邻的所述压电悬臂梁(1)上安置的永磁铁(2)磁极方向相反。
4.如权利要求3所述的多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：所述压电片(6)采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成。
5.如权利要求4所述的多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：所述压电悬臂梁(1)与基架(3)绝缘连接。
6.如权利要求5所述的多频耦合振动能量俘获器，其特征在于：所述压电悬臂梁(1)产生的电压经过电控板(4)的电路处理后并联或串联至超级电容器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160106 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |