CN105680720B - 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器 - Google Patents

多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器 Download PDF

Info

Publication number
CN105680720B
CN105680720B CN201610068173.6A CN201610068173A CN105680720B CN 105680720 B CN105680720 B CN 105680720B CN 201610068173 A CN201610068173 A CN 201610068173A CN 105680720 B CN105680720 B CN 105680720B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cantilever beam
permanent magnet
kinetic energy
multiple degrees
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201610068173.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105680720A (zh
Inventor
陈仁文
徐栋霞
任龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN201610068173.6A priority Critical patent/CN105680720B/zh
Publication of CN105680720A publication Critical patent/CN105680720A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105680720B publication Critical patent/CN105680720B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems

Abstract

本发明提供了一种多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器,该装置将压电和电磁式换能技术相结合,把传统的压电式悬臂梁末端质量块用永磁体阵列替换,永磁体阵列与线圈磁芯骨架之间形成一个交替的闭合磁路,这使得采集器具有稳定的输出电压。同时,在传统的悬臂梁拾振系统上增加了一个基础激励弹性放大系统,弹性放大系统的质量块结构设计为半球状结构,通过平均分布在半球状基座周围的悬臂梁,实现采集装置的多方向采集性能。通过调节弹性放大系统和悬臂梁拾振系统的固有频率比值,可以改变采集装置的工作频带范围,最终构成多自由度多方向宽频带动能采集系统。因此,该装置在外界随机振动的环境下可以实现高效的能量采集。

Description

多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器
技术领域
[0001]本发明涉及能量收集技术领域,具体是一种多自由度压电-电磁复合式多方向宽 频带动能采集器。
背景技术
[0002]目前,无线传感器等微电子技术的迅速发展促使其对供电方式的要求进一步提 升。传统的电池存在寿命短,存储能量有限以及定期更换电池会大幅度增加使用成本等缺 陷,已经无法满足新型微电子技术对电源的特殊要求。能量采集技术可以将自然界中存在 的太阳能、热能、风能、振动能等多种形式的能量转换为电能,该技术的兴起如今已经逐步 解决了部分低功耗电子器件的供电问题。
[0003] 振动能量作为一种新型环境能量,广泛存在于人类日常生活及工程实践中,正受 到越来越多研究者的关注。振动能量采集技术将日常生活中广泛存在的振动能量进行收 集,将机械能转换成电能,从而代替电池等传统供电方式为各种低功耗电子器件供电。
[0004] 根据能量转换机理的不同,振动能量采集装置主要分为静电式、压电式及电磁式 三大类。其中,静电式振动能量采集器主要采用可变电容,通过外界振动使极板发生相对运 动,从而改变极板之间的间距或相对面积,进而改变电容大小把振动能转变为电能。压电式 振动能量采集器利用压电材料的压电效应产生电能。当压电材料发生机械应变时,由于电 荷的分离使得材料表面产生开路电压。电磁式振动能量采集器以法拉第电磁感应定律为工 作原理,其结构中主要包括永磁体阵列和感应线圈绕组。在外界振动作用下,永磁体阵列和 线圈之间产生相对运动,导致线圈中的磁通量发生变化,从而在线圈中产生感应电动势。相 对于压电和电磁式,静电式能量采集装置由于需要初始电压,使其在需要独立供电的场合 下受到了极大的限制。因此,压电与电磁式的振动能量采集器受到越来越广泛的关注。然 而,目前所研究的采用单一换能模式的振动能量采集装置普遍存在工作频带窄、输出能量 密度低等缺陷,影响了采集器的转换效率。
发明内容
[0005] 本发明为了解决现有技术的问题,提供了一种多自由度压电-电磁复合式多方向 宽频带动能采集器,该采集装置将压电和电磁式换能技术相结合,并通过弹性放大系统将 能量转换系统与振动基础相连,形成多自由度系统,进而对采集器的结构进行优化,实现多 方向、宽频带能量采集及高效能量转换。
[0006] 本发明包括拾振换能系统和弹性放大系统。
[0007] 拾振换能系统包括若干上下表面粘贴有极性相反压电薄膜的悬臂梁,每根悬臂梁 一端与同一基座相固连,另一端分别安装独立的永磁体阵列作为悬臂梁自由端质量块,悬 臂梁自由端上下表面的永磁体极性相反,每组永磁体阵列外部均分布有相应的线圈绕组, 线圈绕组固定在带有磁芯线圈骨架的外壳上,带有磁芯的线圈骨架与永磁体阵列磁场之间 形成闭合磁路。
[0008]弹性放大系统即弹簧-阻尼-质量块系统。基座通过连接件与底部的平面弹簧相连 接,平面弹簧通过弹簧固定件和螺栓固定在底座中。连接件通过底部外壳与带有磁芯线圈 骨架的外壳固定,连接件、底部外壳和带有磁芯线圈骨架的外壳均为弹性放大系统的质量 块的一部分。
[0009] 当采集器整体受到外部环境振动时,平面弹簧带动弹性放大系统质量块一起运 动,与质量块相连的悬臂梁也随之产生振动,由于弹性放大系统的存在使得激励悬臂梁振 动的振幅要比基础激励振幅要大,因此,相对于传统的悬臂梁式动能采集器来说,在基础振 动激励相同时,本发明的采集器中悬臂梁的振幅响应的增加提高了压电薄膜的输出电压和 线圈绕组的感应电动势,拓宽了采集器工作频带。
[0010] 进一步改进,所述的基座为半球状,悬臂梁为四根,分别与水平面呈45°角平均分 布固定在半球状基座周围,使采集器具有多方向采集特性。
[0011 ] 为了调节该系统固有频率以适应不同的外界环境,所述的半球状基座内部通过密 封塞固定有金属球,基座内部可以放置不同密度的金属球,从而可以通过调节系统质量的 方法来改变采集器的固有频率。
[0012]所述的永磁体阵列包括若千永磁体质量块,永磁体质量块之间用导磁板衔接,磁 极方向沿悬臂梁轴向相反,线圈绕组分别布置在一个剖面结构为“E”型的磁芯骨架上,在结 构振动过程中,第一线圈绕组、第二线圈绕组和第二线圈绕组、第三线圈绕组的磁芯与两块 永磁体质量块和导磁板之间形成一个交替的闭合磁路。
[0013] 本发明有益效果在于:
[0014] 1、提供了多自由度压电-电磁复合式动能采集装置,该装置将压电式和电磁式能 量转换技术相结合,跟传统的单一的采集方式相比,增加了输出能量密度和电能。
[0015] 2、在单自由度压电振动能量采集器模型的基础上增加一个弹性放大系统,拓宽了 米集器工作频带。
[0016] 3、质量块设计为半球形,四根悬臂梁分布在质量块四周,使其具有多方向宽频带 采集性能,提高了采集器采集效率。
附图说明
[0017] 图1是本发明的结构剖面示意图。
[0018] 图2是本发明部分剖视图。
[0019] 图3 (a)是本发明的拾振结构主视图。
[0020] 图3 (b)是本发明的拾振结构俯视图。
[0021]图4是无弹性放大系统和带有弹性放大系统的幅频特性曲线比较图。
[0022] 图5是本发明的能量转换装置结构图
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0024] 本发明包括拾振换能系统和弹性放大系统,主要结构如图1和图2所示。
[0025] 拾振换能系统中拾振结构的主视图和俯视图如图3 (a)和图3 (b)所示,该系统包括 若干上下表面粘贴有极性相反压电薄膜3的悬臂梁2,每根悬臂梁2—端与同一基座12相固 连,另一端分别安装独立的永磁体阵列1作为悬臂梁2自由端质量块,悬臂梁2自由端上下表 面的永磁体极性相反,每组永磁体阵列1外部均分布有相应的线圈绕组5,线圈绕组5固定在 带有磁芯线圈骨架的外壳4上,带有磁芯的线圈骨架与永磁体阵列磁场之间形成闭合磁路。
[0026] 弹性放大系统即弹簧-阻尼-质量块系统,结构见图1和图2。基座12通过连接件9与 底部的平面弹簧13相连接,平面弹簧13通过弹簧固定件6和螺栓14固定在底座7中。连接件9 通过底部外壳8与带有磁芯线圈骨架的外壳4固定,连接件9、底部外壳8和带有磁芯线圈骨 架的外壳4均为弹性放大系统的质量块的一部分。
[0027] 当采集器整体受到外部环境振动时,平面弹簧13带动弹性放大系统质量块一起运 动,与质量块相连的悬臂梁2也随之产生振动,由于弹性放大系统的存在使得激励悬臂梁2 振动的振幅要比基础激励振幅要大,因此,相对于传统的悬臂梁式动能采集器来说,在基础 振动激励相同时,本发明的采集器中悬臂梁2的振幅响应的增加提高了压电薄膜3的输出电 压和线圈绕组5的感应电动势,拓宽了采集器工作频带。
[0028] 基座12为半球状,悬臂梁2为四根,分别与水平面呈45°角平均分布固定在半球状 基座12周围,使采集器具有多方向采集特性。
[0029] 为了调节该系统固有频率以适应不同的外界环境,所述的半球状基座12内部通过 密封塞10固定有金属球11,基座内部可以放置不同密度的金属球11,从而可以通过调节系 统质量的方法来改变采集器的固有频率。
[0030] 弹簧-阻尼-质量块的固有频率可以通过改变半球状基座12和密封塞10之间的金 属球11密度和平面弹簧13的材料、厚度及其开孔半径来调节;悬臂梁系统的固有频率可以 通过改变末端永磁铁阵列1的质量和悬臂梁2的材料、长度及其厚度来调节。通过对这两个 系统的固有频率进行调节,可以得到一个最佳共振区域,该区域具有频带宽、振幅响应明显 增大等特点。
[0031]图4所示分别为无弹性放大系统和带有弹性放大系统的幅频特性曲线。可以明显 地看出,由于振动的放大作用,从弹簧-阻尼-质量块系统输入到压电悬臂梁系统的激励幅 值要大于直接输入到压电悬臂梁系统的激励幅值,从而增加了悬臂梁2的位移响应幅值,拓 宽了采集器工作频带。
[0032] 在图5所示的能量转换装置结构图中,悬臂梁2的上下表面分别粘贴有压电薄膜3, 其中,上表面压电薄膜3-1与下表面压电薄膜3-2极性相反,当悬臂梁2向下弯曲时,上表面 压电薄膜3-1受到拉应力,下表面压电薄膜3-2受到压应力,因此产生相反的机械应变,再通 过串联连接将产生的电压进行叠加。永磁体质量块1-1安装在悬臂梁2自由端的上下表面, 两块永磁体之间用导磁板1-2衔接,磁极方向沿悬臂梁2轴向相反,线圈绕组5分别布置在一 个剖面结构为“E”型的磁芯骨架上。图中,当悬臂梁产生如图所示的弯曲振动时,第一线圈 绕组5-1和第二线圈绕组5-2的磁芯与两块永磁体质量块1-1和导磁板1-2之间形成一个闭 合磁路如图4所示。相反,当悬臂梁产生与图中相反的弯曲振动时,第二线圈绕组5-2和第三 线圈绕组5-3的磁芯与永磁体质量块1-1及导磁板1-2之间则产生类似的闭合磁路。图中,导 磁板1 -2可以减小磁阻,从而增加通过线圈绕组5中的磁通变化量,最终改变感应电动势,提 高能量转换率。
[0033]本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于 本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这 些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1. 一种多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器,其特征在于:包括若干上 下表面粘贴有极性相反压电薄膜(3)的悬臂梁(2),每根悬臂梁(2) —端与同一基座(I2)相 固连,另一端分别安装独立的永磁体阵列(1)作为悬臂梁(2)自由端质量块,悬臂梁(2)自由 端上下表面的永磁体极性相反,每组永磁体阵列(1)外部均分布有相应的线圈绕组(5),线 圈绕组(5)固定在带有磁芯线圈骨架的外壳(4)上,带有磁芯的线圈骨架与永磁体阵列磁场 之间形成闭合磁路;所述的基座(12)为半球状,所述的悬臂梁(¾为四根,分别与水平面呈 45°角平均分布固定在半球状基座(12)周围;所述的基座(12)通过连接件(9)与底部的平面 弹簧(13)相连接,平面弹簧(13)通过弹簧固定件(6)和螺栓(14)固定在底座(7)中,构成弹 簧-阻尼-质量块系统,即弹性放大系统。 _
2. 根据权利要求1所述的多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器,其特征 在于:所述的连接件(9)通过底部外壳(8)与带有磁芯线圈骨架的外壳(4)固定,连接件(9)、 底部外壳(8)和带有磁芯线圈骨架的外壳(4)均为弹性放大系统的质量块的:部分。
3. 根据权利要求1所述的多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器,其特征 在于:所述的半球状基座(12)内部通过密封塞(1〇)固定有金属球(11)。 _
4. 根据权利要求1所述的多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器,其特征 在于:所述的永磁体阵列(1)包括若干永磁体质量块(1-1),永磁体质量块(W)之间用导磁 板(1-2)衔接,磁极方向沿悬臂梁(2)轴向相反,线圈绕组(5)分别布置在一个剖面结构为E 型的磁芯骨架上,在结构振动过程中,第一线圈绕组(5-1)、第二线圈绕组(5—2)和第二线圈 绕组(5-2)、第三线圈绕组(5-3)的磁芯与两块永磁体质量块(1-1)和导磁板(1—2)之间形成 一个交替的闭合磁路。
CN201610068173.6A 2016-02-01 2016-02-01 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器 Expired - Fee Related CN105680720B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610068173.6A CN105680720B (zh) 2016-02-01 2016-02-01 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610068173.6A CN105680720B (zh) 2016-02-01 2016-02-01 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105680720A CN105680720A (zh) 2016-06-15
CN105680720B true CN105680720B (zh) 2018-04-13

Family

ID=56303248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610068173.6A Expired - Fee Related CN105680720B (zh) 2016-02-01 2016-02-01 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105680720B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106385199B (zh) * 2016-10-12 2019-01-11 南京航空航天大学 一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置
CN107302323A (zh) * 2017-07-10 2017-10-27 天津大学 三维压电悬臂梁振动能量采集系统
CN107598893B (zh) * 2017-08-28 2020-09-25 北京工业大学 一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器
CN110086376B (zh) * 2019-05-07 2020-03-17 湖南工程学院 具有频率和位移放大作用的小型风能采集器
CN112532108B (zh) * 2020-12-07 2022-02-22 上海大学 一种基于压电叠堆和电磁感应的振动能量收集装置
CN113224977B (zh) * 2021-06-01 2022-04-01 吉林大学 方向与频率双重自适应的振动能量采集器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012191786A (ja) * 2011-03-11 2012-10-04 Casio Comput Co Ltd 発電装置
CN103023378A (zh) * 2013-01-11 2013-04-03 浙江工商大学 宽频带多方向振动能量采集器
CN104836478A (zh) * 2015-05-19 2015-08-12 北京理工大学 一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器
US9118187B1 (en) * 2013-03-14 2015-08-25 Amazon Technologies, Inc. Vibrational energy harvester

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9093875B2 (en) * 2011-10-20 2015-07-28 Scientific Drilling International, Inc. Downhole apparatus for electrical power generation from shaft flexure
GB2515224B (en) * 2012-03-07 2019-04-03 Baker Hughes Inc Self-tuning energy harvester

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012191786A (ja) * 2011-03-11 2012-10-04 Casio Comput Co Ltd 発電装置
CN103023378A (zh) * 2013-01-11 2013-04-03 浙江工商大学 宽频带多方向振动能量采集器
US9118187B1 (en) * 2013-03-14 2015-08-25 Amazon Technologies, Inc. Vibrational energy harvester
CN104836478A (zh) * 2015-05-19 2015-08-12 北京理工大学 一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器

Also Published As

Publication number Publication date
CN105680720A (zh) 2016-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105680720B (zh) 多自由度压电‑电磁复合式多方向宽频带动能采集器
US8519554B2 (en) Device and method for harvesting energy from flow-induced oscillations
CN203219211U (zh) 一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器
TW200836457A (en) Generator utilizing fluid-induced oscillations
CN107707155B (zh) 一种超宽带高能效压电振动能量收集装置
CN110445417B (zh) 一种低频宽频带震动俘能装置
CN105207524A (zh) 半主动调频振动能量俘获器
JP2010512132A (ja) 流体誘発振動を利用した発電機
CN102624281A (zh) 一种非接触激励的多维振动能量采集器
CN103023378A (zh) 宽频带多方向振动能量采集器
CN108988684B (zh) 一种吸振与振动能量采集一体化装置
CN106899234A (zh) 一种压电式多向振动能量收集装置
WO2016173151A1 (zh) 一种用于振动能量回收的压电振荡器结构
CN106655886A (zh) 一种双稳态双模式的振动能量采集器
CN202524321U (zh) 纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置
CN111669072A (zh) 一种非线性宽频带压电—磁电复合式低幅振动俘能器
CN108832842B (zh) 一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器
US11342827B2 (en) Four-sided-synchronous-swing dual-mode broadband power generation device
CN104767346A (zh) 一种基于海尔贝克阵列的电磁式振动能量采集器
CN111510022A (zh) 压电与磁电复合式微型风力发电机
CN103762891A (zh) 柱状超磁致伸缩式俘能器
CN208597036U (zh) 一种冲击式多方向压电发电装置
CN106856381B (zh) 一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置
CN202524323U (zh) 一种非接触激励的多维振动能量采集器
CN207968288U (zh) 自由端磁路调节悬臂梁振动能量收集装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180413

Termination date: 20190201