CN105553331B - 一种低频压电振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种低频压电振动能量收集器，涉及振动能量收集技术领域，能够提高低频振动能量的回收效率，提升装置使用寿命。本发明的方法包括：悬臂梁1、压电元件3、永磁体8、质量块9和基础框架5组成的第一振荡结构，第二振荡结构的组成部分包括：悬臂梁2、压电元件4、质量块6、永磁体7和基础框架5组成的第二振荡结构；第二振荡结构内嵌于第一振荡结构，第一振荡结构与第二振荡结构的中性面处于同一平面；永磁体7集成在质量块6上，永磁体8集成在质量块9上，永磁体7和永磁体8的几何中心处于第一振荡结构与第二振荡结构的中性面上；永磁体7与永磁体8之间产生互相排斥的非线性磁铁力。本发明适用于利用压电材料进行超低、低频振动能量的收集。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集技术领域，尤其涉及一种低频压电振动能量收集器。
背景技术
无线传感器节点主要用于采集环境中的物理信息，是物联网底层基础网络的重要组成部分之一。由于无线传感器节点的平均功耗非常低，可以通过收集环境中的能量并将其转化成电能，免去了大规模无线传感器网络需要频繁更换供电电池而产生的大量维护费用。又由于环境中的振动能量无处不在且有着相当可观的能量密度，因此采用压电振动能量收集器收集环境中的振动能量具有较高的应用价值和前景。
由于大多数环境振动源的功率谱密度有一个或若干个峰值，因此目前广泛采用压电振动能量收集器的设计思路是：使机电耦合结构的固有频率去匹配振动源功率谱的峰值频率，进而让结构产生大幅振荡，并转换为振动机械能。采用该设计思路的缺点是：一旦峰值频率特别低，机电耦合结构在低频振动下，产生的电能幅值大，周期长，大大降低了后续电路的回收效率。经过长时间的研究，目前业内已发展出了升频式机电耦合结构，并且根据升频转换原理可以分为两大类：一类是碰撞式，即主振荡质量块去碰击具有高固有频率的压电发电部件，使其产生高频振荡；另一类是拨动式，主振荡部件设计成拨片形式，在低频振动过程中拨动高频压电发电部件使其振荡。这两类结构都实现了在发电源高频率低电流的状态下，降低后续接口电路的功耗，同时较高的输出频率确保了总回收功率不会降低，同时结构也较为简单，制造难度低。
但是采用这两类升频式机电耦合结构的压电振动能量收集器，在升频转换过程中，部分振动能量会以声音、热等形式发生耗散，并且其中的碰撞、拨动部件需要长时间、高频率地承受较高的冲击载荷，极易发生疲劳损伤，导致采用这两类升频式机电耦合结构的压电振动能量收集器的使用寿命较低。
发明内容
本发明的实施例提供一种低频压电振动能量收集器，能够避免振动能量以声音、热等形式发生耗散，提高低频振动能量的回收效率，并极大地提升压电振动能量收集器的使用寿命。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：提供一种低频压电振动能量收集器，所述低频压电振动能量收集器包括第一振荡结构和第二振荡结构，所述第一振荡结构的组成部分包括：第一悬臂梁(1)、第一压电元件(3)、第一永磁体(8)、第一质量块(9)和基础框架(5)，所述第二振荡结构的组成部分包括：第二悬臂梁(2)、第二压电元件(4)、第二质量块(6)、第二永磁体(7)和所述基础框架(5)；所述第二振荡结构内嵌于所述第一振荡结构，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面处于同一平面；所述第二永磁体(7)集成在所述第二质量块(6)上，所述第一永磁体(8)集成在所述第一质量块(9)上，所述第二永磁体(7)和所述第一永磁体(8)的几何中心处于所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面上；所述第二永磁体(7)与所述第一永磁体(8)之间产生互相排斥的非线性磁铁力。
本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器，在振荡结构中利用永磁体产生互相排斥的非线性磁铁力，从而形成一种非接触、无能量耗散的升频转换结构，并与压电元件集成，提供一种具有升频转换功能的低频压电振动能量收集器，能够在极小的加速度激励下发生升频转换，进而利用结构中集成的压电元件高效地收集超低、低频振动源，将环境振动能转换成电能的高效率能量收集器，适用于利用压电材料的超低、低频振动能量收集，特别涉及到一种将环境振动能转换为电能的微功耗发电装置。并且由于采用的是非接触、无能量耗散的升频转换结构，因此避免了能量以声音、热等形式发生耗散，也解决了碰撞、拨动部件长时间、高频率地承受较高的冲击载荷而产生疲劳损伤的问题，极大地提升了压电振动能量收集器的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器，在模拟外界激振信号的实验场景下的振荡结构1和2的输出电压波形图；
图3为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器中的基础框架(5)的局部放大结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种如图1所示的低频压电振动能量收集器，包括：所述低频压电振动能量收集器包括第一振荡结构和第二振荡结构，所述第一振荡结构的组成部分包括：第一悬臂梁(1)、第一压电元件(3)、第一永磁体(8)、第一质量块(9)和基础框架(5)，所述第二振荡结构的组成部分包括：第二悬臂梁(2)、第二压电元件(4)、第二质量块(6)、第二永磁体(7)和所述基础框架(5)。
具体的，第一振荡结构可以由两个对称第一悬臂梁(1)，四个(或两个)第一压电元件(3)，第一永磁体(8)，第一质量块(9)及基础组成。第二振荡结构可以由第二悬臂梁(2)，两个(或一个)第二压电元件(4)，第二质量块(6)，第二永磁体(7)及基础组成。第二永磁体(7)和8分别集成在第二质量块(6)和9上且永磁体几何中心处于振荡结构中性面上。其中，第一振荡结构相对于第二振荡结构对称设计与装配。第一振荡结构与振荡器结构2的固支端固定在基础框架同一侧，在初始状态下，两结构的中性面处于同一平面。另外振荡器结构2内嵌于振荡器结构1中，进一步降低低频压电振动能量收集器的体积。集成在振荡器结构1和2质量块上的永磁体几何中心同样应处于结构中性面上，永磁体之间为互斥力，且几何中心之间的距离d可调节。
其中，所述第二振荡结构内嵌于所述第一振荡结构，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面处于同一平面。所述第二永磁体(7)集成在所述第二质量块(6)上，所述第一永磁体(8)集成在所述第一质量块(9)上，所述第二永磁体(7)和所述第一永磁体(8)的几何中心处于所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面上。所述第二永磁体(7)与所述第一永磁体(8)之间产生互相排斥的非线性磁铁力。
其中，所述第一悬臂梁(1)固定端设置在基础框架(5)上，自由端同时集成第一质量块(9)，第一压电元件(3)设置在两个悬臂梁的根部，组成第一振荡结构。所述第二悬臂梁(2)固定端设置在基础框架(5)上，自由端集成有第二质量块(6)，第二压电元件(4)设置在悬臂梁根部，组成第二振荡结构。在优选方案中，低频压电振动能量收集器集成六块(或三块)压电元件，其中第一振荡结构集成有四块(或两块)一样的压电元件，第二振荡结构集成有两块一样的(或一块)压电元件。并且第一振荡结构中的压电元件应根据极性互相串联或并联，组成一路输出；第二振荡结构中的压电元件组成另外一路输出。
在本实施例中，由于第一振荡结构中的压电元件会承受较大的应变，因此选用柔性压电材料，如压电纤维复合材料(Macro-Fibre Composite,MFC)或压电聚合物材料(Polyvinylidene fluoride,PVDF)，优先选用机电耦合系数较高的压电纤维复合材料。第二振荡结构中压电元件承受的应变较小，可选用压电纤维复合材料或压电陶瓷材料，也可以选用压电陶瓷材料从而降低生产成本。
在本实施例中，主要通过利用多自由度非线性系统内共振现象，实现振动频率的升频转换。采用如图1所示的结构，通过第二永磁体(7)和第一永磁体(8)中存在的非线性互斥磁铁力，实现非接触式、无能量耗散的升频转换功能。通过设置两种固有频率不同的第一振荡结构和第二振荡结构(比如：第一振荡结构的固有频率表示为ω1和第二振荡结构的固有频率表示为ω2，且3ω1＝ω2)，形成了非线性受迫振荡系统。当第一振荡结构在其固有频率处发生大幅振荡时，结构内部的非线性磁铁力即会激发第二振荡结构发生振动频率为ω2(或ω1叠加ω2)的大幅振动。由于ω2是ω1的三倍频，因此该结构可以有效地将振动频率提升三倍再转换，增加了单位时间内能量转换的次数。因此在本实施例中，所述第一压电元件(3)的各个电极面互相串联或并联组成一路输出，所述第二压电元件(4)的各个电极面互相串联或并联组成另一路输出。所述第二压电元件(4)输出的电压频率为由所述第一压电元件(3)输出的电压频率的三倍。例如：如图2所示的模拟外界激振信号以及振荡结构1和2的输出电压波形图。振荡结构1的一阶固有频率为17.7Hz，振荡结构2的一阶固有频率为53.1Hz。假设环境振动源中，频率为17.7Hz的振动信号所占的能量极大，在功率谱中表现为一个极高的峰值。现仅考虑该振动信号作用于压电振动能量收集器上(见加速度信号)，收集器中振荡结构1将产生较大的受迫振幅，使得压电元件电极面上产生较大的输出电压(见虚线所示的输出电压)；由于非线性磁铁力的存在，同时振荡结构2的固有频率是激振频率的三倍，振荡结构2也在其固有频率处产生较大的受迫振幅，压电元件电极面上同样产生较大的输出电压(见实线所示的输出电压)。该图形象、直观地说明了本发明中压电振动能量收集器所具有的升频功能。
在本实施例中，由于在相同振幅的条件下，低频压电振动能量收集器的输出功率与输出频率的三次方成正比。因此在机电转换的源头即低频压电振动能量收集器上设计升频转换装置，一旦参数设计合理，输出功率即会得到大幅提升，同时还能提高后续接口电路的能量提取效率，最终达到优化整个能量收集器回收功率的目的。目前存在的具有升频功能的低频压电振动能量收集器，大多在频率转换过程中存在功率损失，同时存在较高的加速度阈值，一旦加速度低于该阈值，升频结构往往不工作。而本发明提供的升频转换结构理论上不存在功率损失，同时大大降低了频率转换所需的加速度阈值，而且由于不需要通过结构接触实现振荡器结构之间的能量互换，完全杜绝了碰撞或拨动结构所产生的噪音。
在本实施例中，所述第一振荡结构的固有频率与环境振动源频率匹配，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的固有频率之比等于1/3。或者当处于线性状态下，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的固有频率之比大于1/3。
以图1所示为例，本实施例的低频压电振动能量收集器的具体结构和结构的装配过程，可以包括：
低频压电振动能量收集器的结构尺寸在cm级别设计(但最大尺寸一般不超过10cm)，使得振荡结构的一阶固有频率均比较低以便于回收超低、低频振动能量。其中的第一悬臂梁(1)(两个)，第一压电元件(3)(两个)，基础框架(5)(一部分)，第一永磁体(8)以及第一质量块(9)组成振荡结构1。第二悬臂梁(2)，第二压电元件(4)，基础框架(5)(另一部分)，第二质量块(6)以及第二永磁体(7)组成振荡结构2。
并且，在第二质量块(6)和9一端均开有凹槽，凹槽宽度略大于悬臂梁的厚度，深度略小于质量块的宽度。图示第二质量块(6)正面开有一个螺纹孔，第一质量块(9)正面开有两个螺纹孔，上述螺纹孔均为通孔。装配过程中，一旦悬臂梁装配进相应质量块，即应该将内六角螺栓拧入螺纹孔，利用螺栓端部与悬臂梁表面的静摩擦力使质量块和悬臂梁固定在一起。另外，第二永磁体(7)和8分别和第二质量块(6)和9固定在一起，固定部位如图所示，固定方式可采用强粘性的胶水固定，也可采用焊接固定，同时应注意，装配结束后永磁体之间应呈互斥力。
为降低压电元件制造成本，压电元件和悬臂梁之间可先独立加工制造，再通过胶水(如AB胶)进行集成。若后期技术成熟或产品数量巨大，为增加压电能量回收结构工作的稳定性和可靠性，也可将压电元件和悬臂梁集成在一起，直接加工制造。
第一悬臂梁(1)和2的固定端开有通孔，对应基础结构5上开有螺纹孔，采用螺栓固定的方式将悬臂梁固定于基础上。
在本实施例中，如图3所示的，基础框架(5)可以由第一基础子框架(51)和第二基础子框架(52)组成，所述第一基础子框架(51)为所述基础框架(5)与所述第一振荡结构连接的部分，所述第二基础子框架(52)为所述基础框架(5)与所述第二振荡结构连接的部分。
所述第二基础子框架(52)为凹形结构，所述凹形结构的凹槽位于所述第二基础子框架(52)的中间位置，所述第一基础子框架(51)安装在所述第二基础子框架(52)的凹槽中。
所述第一基础子框架(51)和所述第二基础子框架(52)之间通过紧固件施加在二者的接触面上的静摩擦力结合在一起。在实际装配过程中，所述第二基础子框架(52)沿凹槽方向偏移距离d安装，以便于所述第二永磁体(7)与所述第一永磁体(8)间距d可调节，例如：第二基础子框架(52)可以沿凹槽方向移动，使得第二永磁体(7)和8直接的间距可以在装配过程中人为调节，又由于通过调节距离d改变非线性状态下悬臂梁的固有频率，从而实现通过调节距离d调节第一振荡结构的固有频率，使第一振荡结构的固有频率与振动源频率匹配，进而在一定频带范围内获得较高的振动能量收集功率。
本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器，在振荡结构中采用永磁体产生互相排斥的非线性磁铁力，从而形成一种非接触、无能量耗散的升频转换结构，并与压电元件集成，提供一种具有升频转换功能的低频压电振动能量收集器，能够在极小的加速度激励下发生升频转换，进而利用结构中集成的压电元件高效地收集超低、低频振动源，将环境振动能转换成电能的高效率能量收集器，适用于利用压电材料的超低、低频振动能量收集，特别涉及到一种将环境振动能转换为电能的微功耗发电装置。并且由于采用的是非接触、无能量耗散的升频转换结构，因此避免了能量以声音、热等形式发生耗散，也解决了碰撞、拨动部件长时间、高频率地承受较高的冲击载荷而产生疲劳损伤的问题，极大地提升了压电振动能量收集器的使用寿命。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种低频压电振动能量收集器，其特征在于，所述低频压电振动能量收集器包括第一振荡结构和第二振荡结构，所述第一振荡结构的组成部分包括：第一悬臂梁(1)、第一压电元件(3)、第一永磁体(8)、第一质量块(9)和基础框架(5)，所述第二振荡结构的组成部分包括：第二悬臂梁(2)、第二压电元件(4)、第二质量块(6)、第二永磁体(7)和所述基础框架(5)；
所述第二振荡结构内嵌于所述第一振荡结构，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面处于同一平面；
所述第二永磁体(7)集成在所述第二质量块(6)上，所述第一永磁体(8)集成在所述第一质量块(9)上，所述第二永磁体(7)和所述第一永磁体(8)的几何中心处于所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面上；
所述第二永磁体(7)与所述第一永磁体(8)之间产生互相排斥的非线性磁铁力；所述第一振荡结构的固有频率与环境振动源频率匹配，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的固有频率之比等于1/3；
或者，当处于线性状态下，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的固有频率之比大于1/3。
2.根据权利要求1所述的低频压电振动能量收集器，其特征在于，所述基础框架(5)由第一基础子框架(51)和第二基础子框架(52)组成，所述第一基础子框架(51)为所述基础框架(5)与所述第一振荡结构连接的部分，所述第二基础子框架(52)为所述基础框架(5)与所述第二振荡结构连接的部分；
所述第二基础子框架(52)为凹形结构，所述凹形结构的凹槽位于所述第二基础子框架(52)的中间位置，所述第一基础子框架(51)安装在所述第二基础子框架(52)的凹槽中；
所述第一基础子框架(51)和所述第二基础子框架(52)之间通过紧固件施加在二者的接触面上的静摩擦力结合在一起；
所述第二基础子框架(52)沿凹槽方向偏移距离d安装，以便于所述第二永磁体(7)与所述第一永磁体(8)间距d可调节。
3.根据权利要求1所述的低频压电振动能量收集器，其特征在于，所述第一压电元件(3)的各个电极面互相串联或并联组成一路输出，所述第二压电元件(4)的各个电极面互相串联或并联组成另一路输出；
由所述第二压电元件(4)输出的电压频率为由所述第一压电元件(3)输出的电压频率的三倍。
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