CN106124036B - 一种新型拾振器及其优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型拾振器及其优化方法，新型拾振器包括拾振系统和电磁式振动能量回收转化系统，拾振系统由双夹具、悬臂梁和永磁体组成，电磁式振动能量回收转化系统由悬臂梁、永磁体、线圈及储能元件组成。利用所公开的优化设计方法可以设计出不同的双夹具，并对系统进行优化匹配，以满足不同的应用需求。该新型拾振器结构简单、小巧，可用于振动能量回收、微型传感器等领域，运用于振动能量回收时其能量回收效率高、频带宽、输出电能平均功率高，尤其是该拾振器通过优化匹配后可适用于各种振动能量回收、微型传感器等场合。

Description

一种新型拾振器及其优化设计方法

技术领域

本发明属于微型传感器技术领域，具体涉及一种新型拾振器及其优化设计方法。

背景技术

振动机械能是一种最容易从周围环境中获得的能量源，广泛地存在于家用电器、工业工厂设备、各种可动物体以及人体运动等，这些不同方式的机械振动在频率和振幅等方面也各不相同。

拾振器是传感器的一种，将振动信号转为化学的、机械的或电学的信号，且所得信号的强度与所检测的振动量成比例的换能装置。按检测量的不同，可以分为加速度计、速度拾振器和位移拾振器等几种。按能量转化的原理来分，又有质量弹簧式、压电式、电动式、电磁式等许多种类。但是现有的拾振器的输出性能受系统结构和尺寸的限制，其工作带宽较窄，且输出功率随着系统体积的减小而大幅降低，为了改善系统的输出性能，扩展频带，就需要设计一种易于实现的新型拾振器及其优化设计方法。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、能量回收效率高的新型拾振器。

本发明的另一目的，是提供一种上述新型拾振器的优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种新型拾振器，包括支撑底座、双夹具、悬梁臂、永磁铁、线圈以及储能元件，所述双夹具包括相对设置且固定于支撑底座上的上夹具与下夹具，所述悬梁臂位于上夹具和下夹具之间且其一端与上夹具、下夹具的端部固定连接，所述永磁铁设置于悬臂梁另一端，所述线圈固定于支撑底座上且于永磁铁位置相对应，所述储能元件与线圈相连接，所述上夹具与下夹具的相对截面为沿悬臂梁延伸方向间距逐渐增加的平滑曲面，所述支撑底座、双夹具、线圈均与振动源固结。

优选地，所述永磁铁位于悬臂梁的末端。

优选地，所述悬臂梁采用不导磁材料制成。

一种如前所述的新型拾振器的优化设计方法，包括以下步骤：

S1、根据悬臂梁振动时与夹具的贴合情况，选定双夹具的截面曲线方程类型；

S2、电磁式振动能量回收转化系统计算悬臂梁的非线性刚度特性；

S3、建立电磁式振动能量回收转化系统的机电耦合模型；

S4、计算拾振器的最终输出平均功率，进而得到系统匹配优化模型；

S5、利用步长加速法对系统匹配优化模型进行优化求解；

S6、计算并输出系统参数；

其中，系统匹配优化模型和系统参数中的系统为新型拾振器系统。

优选地，所述步骤S1中的悬臂梁振动时与夹具的贴合情况共有三种，即完全贴合、临界贴合和不完全贴合。

优选地，所述步骤S2中的悬臂梁具有三种不同的非线性刚度特性。

优选地，所述步骤S6中的系统参数包括双夹具的截面曲线方程、悬臂梁的结构参数、永磁体质量、线圈的结构参数。

本发明的有益效果是：本发明所提出的新型拾振器以法拉第电磁感应定律为工作原理，即在外界振动激励作用下，永磁体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。该新型拾振器将振动机械能转换成电能并储存起来，进而全天候地为微型无线传感器、嵌入式传感器等各种低功耗的电子器件供电。总体而言，该新型拾振器结构简单、小巧，可用于振动能量回收、微型传感器等领域，运用于振动能量回收时，其能量回收效率高、频带宽、输出电能平均功率高，尤其是该拾振器通过优化匹配后可适用于各种振动能量回收、微型传感器等场合。

附图说明

图1为本发明提供的新型拾振器系统结构图；

图2为本发明提供的新型拾振器的优化设计方法流程图。

附图标记说明：1、支撑底座；2、双夹具；3、悬臂梁；4、永磁铁；5、线圈；6、储能元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的新型拾振器的结构示意图，包括支撑底座1、双夹具2、悬臂梁3、永磁体4、线圈5及储能元件6。双夹具2包括上夹具与下夹具，上夹具和下夹具相对设置且固定于支撑底座上。悬梁臂3位于上夹具和下夹具之间，且悬臂梁3的一端与上夹具、下夹具的端部固定连接。永磁铁4设置于悬臂梁另一端。线圈5固定于支撑底座1上且于永磁铁4相对应。储能元件6与线圈5相连接。上夹具与下夹具的相对截面为沿悬臂梁2延伸方向间距逐渐增加的平滑曲面。支撑底座1、双夹具2、线圈5均与振动源固结。

在本实施例中，支撑底座1位于其他零部件的下方(图中未完全示出支撑底座)，上夹具、悬梁臂3以及下夹具的端部通过螺栓固定在一起，且同时通过该螺栓固定在支撑底座1上。需要说明的是，支撑底座1的形状，设置方向并没有特殊的限制，可根据实际情况及设计需求进行相应的设计，只要满足对其它零部件有支撑固定作用即可。显然，悬臂梁3与双夹具2之间、双夹具2与支撑底座1之间也不限于螺栓的连接方式，采用其他任何可实现固定连接的方式均可。悬臂梁3采用不导磁材料制成。悬梁臂也可采用导磁材料。当采用不导磁材料时，回收电能的效果更佳。此外，在本实施例中，永磁铁4位于悬臂梁3的末端下表面。永磁铁4位于悬臂梁3的具体位置方向并没有特殊的限制，也可位于悬臂梁3的上表面、侧面、正中等位置，近末端位置均可，只要与线圈5位置相对应、组成能量转换单元即可。本发明人经过大量的实验发现，当永磁铁4在悬臂梁3上的位置与振动源的振动方向一致时，拾振器将具有更好的效能。

进一步值得说明的是，上夹具与下夹具可采用形状相同完全对称的夹具，也可采用非对称形状不相同的夹具。上夹具和下夹具具体形状是否完全相同对本发明并没有实质性的影响。本发明的发明点之一在于上夹具与下夹具的相对截面，即双夹具的截面，为沿悬臂梁2延伸方向间距逐渐增加的平滑曲面。至于具体上夹具和下夹具各自的平滑曲面是否完全对称以及平滑曲面的弯曲程度均没有特殊的限制，可完全根据实际情况进行相应设计。在本实施例中，上夹具和下夹具的相对截面采用完全对称。

双夹具2、悬臂梁3和永磁体4组成拾振系统，悬臂梁3、永磁体4、线圈5及储能元件6组成电磁式振动能量回收转化系统。在外界振动激励作用下，支撑底座1、线圈5随着振动源上下振动，悬臂梁3和永磁体4也随之振动。由于悬臂梁3不是绝对刚性的，所以永磁体4和线圈5之间就会发生相对运动，导致线圈5中的磁通量发生变化，从而在线圈5中产生感应电动势，进而将振动能量转化为电能并储存在储能元件6中或为外接负载供电。在双夹具2、悬臂梁3和永磁体4组成的拾振系统中，利用双夹具2改变悬臂梁3的非线性刚度特性，进而改善拾振器的最终输出性能。由悬臂梁3、永磁体4、线圈5及储能元件6组成的电磁式振动能量回收转化系统中，利用电磁感应效应将振动能量转化为电能并储存在储能元件中。选择合适的双夹具2的非线性截面特性，以及与之相匹配的拾振器系统参数，可以实现系统输出电能的最大化。

本发明提供的一种新型拾振器的优化设计方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、根据悬臂梁振动时与双夹具的贴合情况，选定双夹具的截面曲线方程类型。

悬臂梁3振动时与双夹具2的贴合情况共有三种，即完全贴合、临界贴合和不完全贴合。双夹具2的上下截面曲线方程为可以根据用户需求定制的非线性单调递增函数，本实施例中采用双夹具2上下截面曲线方程为上下完全对称且为四阶多项式函数为实施例，对本发明所提供的优化设计方法加以说明。设双夹具2的截面曲线方程为：

y(s)＝a₁s+a₂s²+a₃s³+a₄s⁴(0≤s≤s₀) (1)

其中，s和y分别为双夹具2的截面曲线的横纵坐标，a_i(i＝1,2,3,4)表示多项式函数的系数，s₀为双夹具2的横向长度(可取为悬臂梁3长度的3/4)。

完全贴合时，悬臂梁3与双夹具2由悬臂梁3的始端开始渐近贴合，即悬臂梁3有一微小弯曲时就与双夹具2贴合，且悬臂梁3的弯曲变形量越大，贴合区也越大，此时，悬臂梁3具有完全非线性刚度特性，双夹具2的截面曲线方程(1)满足：

a₁＝a₂＝0,a₃>0,a₄≥0 (2)

临界贴合时，悬臂梁3在其弯曲变形量达到一定值后与双夹具2的始端开始渐近贴合，而悬臂梁3的弯曲变形量较小时两者是相互分离的，此时，悬臂梁3的刚度特性由一小段线性区与一段非线性区组成，双夹具2的截面曲线方程(1)满足：

a₁＝a₄＝0,a₂>0,a₂+3a₃L>0 (3)

其中，L为悬臂梁3的长度。

不完全贴合时，悬臂梁3的弯曲变形量达到一定值后才与双夹具2开始贴合，但双夹具2的始端与悬臂梁3是始终分离的，此时，悬臂梁3的非线性刚度特性也包含一小段线性区，双夹具2的截面曲线方程(1)满足：

S2、计算悬臂梁的非线性刚度特性。

根据悬臂梁3振动时与双夹具2的贴合情况，悬臂梁3具有三种不同的非线性刚度特性。

完全贴合时，悬臂梁3的非线性刚度特性为：

其中，x和F分别表示悬臂梁3末端的变形量和弹性力，E为悬臂梁3的弹性模量(可查表获得)，为悬臂梁3的截面惯性矩，b和h分别为悬臂梁3的宽度和高度，L为悬臂梁3的长度。

临界贴合时，悬臂梁3的非线性刚度特性为：

其中，

不完全贴合时，悬臂梁3的非线性刚度特性为：

其中，

S3、建立电磁式震动能量回收转化系统的机电耦合模型。

由悬臂梁3、永磁体4、线圈5和储能元件6组成的电磁式振动能量回收转化系统，将悬臂梁3振动产生的机械能转化为电能，考虑到双夹具的对称性，该系统的机电耦合模型为：

其中，m＝m₀+0.2235ρL为拾振系统在悬臂梁3末端处的等效质量，m₀为永磁体4的质量，ρ为悬臂梁3的密度，c为悬臂梁3的等效阻尼，β为机电耦合系数，i为系统所回收电能的电流，L_i为线圈5的等效电感，R_L为负载电阻，r₀为线圈5的等效内阻，γ为外界振动激励加速度(设计和实验时可取为幅值为g＝9.8m/s^2的扫频信号)。

S4、计算拾振器的最终输出平均功率，进而得到系统匹配优化模型。

拾振器的最终输出平均功率为：

其中，u为系统的输出电压，T为优化仿真的时间，p为拾振器的最终输出平均功率。

对拾振器的优化设计，就是通过选择合适的夹具截面曲线以及机电系统参数以得到该系统的最大输出平均功率，即系统匹配优化模型为：

max p (10)

S5、利用步长加速法对系统匹配优化模型进行优化求解。

该系统匹配优化设计问题是一个无约束的非线性优化问题，而系统匹配优化模型(10)的目标函数p的显式的解析表达式难以获得，所以利用步长加速法对该优化模型进行优化求解。

S6、计算并输出系统参数。

系统参数包括图1中的双夹具2的截面曲线方程(1)的系数a_i(i＝1,2,3,4)，悬臂梁3的长度L、宽度b、高度h，永磁体4的质量m₀，悬臂梁3的等效阻尼c，机电耦合系数β，线圈5的等效内阻r₀、等效电感L_i，负载电阻R_L。

由所提出的优化设计方法优化设计后的拾振器系统，在外界振动激励作用下，利用电磁感应效应将振动能量转化为电能，并储存在储能元件中或为各种低功耗的电子器件供电。该新型拾振器结构简单、小巧，可用于振动能量回收、微型传感器等领域，运用于振动能量回收时其能量回收效率高、频带宽、输出电能平均功率高，尤其是该拾振器通过优化匹配后可适用于各种振动能量回收、微型传感器等场合。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型拾振器，其特征在于：包括支撑底座(1)、双夹具(2)、悬梁臂(3)、永磁铁(4)、线圈(5)以及储能元件(6)，所述双夹具(2)包括相对设置且固定于支撑底座(1)上的上夹具与下夹具，所述悬梁臂(3)位于上夹具和下夹具之间且其一端与上夹具、下夹具的端部固定连接，所述永磁铁(4)设置于悬臂梁(3)另一端，所述线圈(5)固定于支撑底座(1)上且于永磁铁(4)位置相对应，所述储能元件(6)与线圈(5)相连接，所述上夹具与下夹具的相对截面为沿悬臂梁(3)延伸方向间距逐渐增加的平滑曲面，所述支撑底座(1)、双夹具(2)、线圈(5)均与振动源固结；

悬臂梁(3)振动时与双夹具(2)的贴合情况共有三种，即完全贴合、临界贴合和不完全贴合，双夹具(2)上下截面曲线方程为上下完全对称且为四阶多项式函数，双夹具(2)上下截面曲线方程如下：

y(s)＝a₁s+a₂s²+a₃s³+a₄s⁴(0≤s≤s₀)

其中，s和y分别为双夹具(2)的截面曲线的横纵坐标，a_i(i＝1,2,3,4)表示多项式函数的系数，s₀为双夹具(2)的横向长度；

完全贴合时，悬臂梁(3)与双夹具(2)由悬臂梁(3)的始端开始渐近贴合，即悬臂梁(3)有一微小弯曲时就与双夹具(2)贴合，且悬臂梁(3)的弯曲变形量越大，贴合区也越大，此时，悬臂梁(3)具有完全非线性刚度特性，双夹具(2)的截面曲线方程(1)满足：

a₁＝a₂＝0,a₃＞0,a₄≥0

临界贴合时，悬臂梁(3)在其弯曲变形量达到一定值后与双夹具(2)的始端开始渐近贴合，而悬臂梁(3)的弯曲变形量较小时两者是相互分离的，此时，悬臂梁(3)的刚度特性由一小段线性区与一段非线性区组成，双夹具(2)的截面曲线方程(1)满足：

a₁＝a₄＝0,a₂＞0,a₂+3a₃L＞0

其中，L为悬臂梁(3)的长度；

不完全贴合时，悬臂梁(3)的弯曲变形量达到一定值后才与双夹具(2)开始贴合，但双夹具(2)的始端与悬臂梁(3)是始终分离的，此时，悬臂梁(3)的非线性刚度特性也包含一小段线性区，双夹具(2)的截面曲线方程(1)满足：

其中，L为悬臂梁(3)的长度。

2.根据权利要求1所述的新型拾振器，其特征在于：所述永磁铁(4)设置于悬臂梁(3)的末端。

3.根据权利要求1或2所述的新型拾振器，其特征在于：所述悬臂梁(3)采用不导磁材料制成。

4.一种如权利要求1-3任一所述的新型拾振器的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据悬臂梁(3)振动时与夹具的贴合情况，选定双夹具(2)的截面曲线方程类型；

S2、计算悬臂梁(3)的非线性刚度特性；

S3、建立电磁式振动能量回收转化系统的机电耦合模型；

S4、计算拾振器的最终输出平均功率，进而得到系统匹配优化模型；

S5、利用步长加速法对系统匹配优化模型进行优化求解；

S6、计算并输出系统参数；

其中，所述系统匹配优化模型和所述系统参数中的系统为新型拾振器系统。

5.根据权利要求4所述的新型拾振器的优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中的悬臂梁振动时与夹具的贴合情况共有三种，即完全贴合、临界贴合和不完全贴合。

6.根据权利要求5所述的新型拾振器的优化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的悬臂梁具有三种不同的非线性刚度特性。

7.根据权利要求5所述的新型拾振器的优化设计方法，其特征在于：所述步骤S6中的系统参数包括双夹具的截面曲线方程、悬臂梁的结构参数、永磁体质量、线圈的结构参数。