CN106856380B - 一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，包括基础骨架、悬臂梁阵列、磁铁块、压电发电片，基础骨架由呈空间坐标式分布的金属管组成，悬臂梁阵列由多根悬臂梁组成且由短到长依次排列，基础骨架的每根金属管上均排列着一组所述悬臂梁阵列，且悬臂梁阵列垂直于其所在的金属管，悬臂梁阵列的安装方向要保证其振动方向与所在金属管的长度方向平行，悬臂梁阵列中的每根悬臂梁末端都安装有磁铁块，且相邻悬臂梁之间的磁铁块相同磁极相对，每根悬臂梁的根部均粘贴着压电发电片。本发明结构的工作频域宽，结构紧凑，空间利用率高，发电效率高，通过对外界振动能量的收集可以提高能源利用效率并实现低功耗器件的自供电。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收领域，属于振动压电能量转换技术，主要涉及一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置。
背景技术
无线系统的应用已经深入世界每一个角落，例如基于IEEE802.11标准的无线网络和基于蓝牙标准的便携式电子设备，这些已经在日常生活中得到了普遍的应用。无线系统与传统的有线系统相比，具有很多优势，例如使用方便、操作灵活、并且可以随意配置。作为无线系统的一个重要应用，一种被称为无线传感网络(Wireless Sensor Network)的技术已经得到了快速的发展。这项技术是在机器或者建筑结构当中安放微型的无线传感器节点，实时监测它们的运行状态。这样对便携式电子设备和无线传感器的供电设备的需求也与日俱增。
目前，大部分便携式电子设备和无线传感器都是采用电池供电的。尽管随着电池技术的发展，人们可以通过增大电池的容量来延长其服务年限，但是当前电池增容技术的发展远远落后于无线电子器件的发展, 在一些特殊应用领域，传统化学电池的更换几乎无法实现。例如，在无线传感网络中大量的传感的节点被置于桥梁上，用于结构健康监测传感器，还有追踪野生动物的定位节点，即全球定位系统（Global Positioning System，GPS）。当电池的能量耗尽时，就需要定期更换传感器上的电池。为了保证一个由上千个节点组成的无线传感器网络的运行就需要定期更换大量的电池，一方面必然增高了无线传感网络的使用成本，对状态监测技术的应用和发展带来不利影响，另一方面大量的使用电池也会造成一定的环境污染和资源浪费。
在能源短缺日趋严重的今天，人们越来越希望能见日常生活中被浪费和忽视的能量加以采集回收和利用。于是，微型能量采集装置应运而生。微型能量采集装置可以将环境中的能量，比如振动能、风能、太阳能等，转换为电能。振动作为自然界常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度，振动式微型能量采集装置可通过机电转换材料将外部的振动能转换成电能，具有很好的应用前景。
收集振动能的主要方法是利用静电、电磁、压电等效应，通过能量采集装置将外部的振动能转换成电能。压电式振动能量收集技术相比于另外两种振动能量收集技术具有较高的功率密度和更加简单的结构，易于集成与微型化，符合电子元器件的发展趋势。目前，悬臂梁结构的压电能量收集装置较为常见，有单稳态悬臂梁、双稳态悬臂梁等。单稳态压电能量收集装置的通频带极窄，谐振频率高，能量采集效率低。双稳态结构增加了带宽，降低了谐振频率，增大了振子的振动幅度，能量转换效率有一定的提高。如中国专利（公开号CN105305879A）公开了一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，该装置中只有一个直角悬臂梁单独工作，采集的能量密度较低；如中国专利（公开号CN102790548A）公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，该装置采用八个双稳态悬臂梁组成了环形阵列，发电效率相比单一压电悬臂梁结构有所提升，但是由于八个悬臂梁均在同一平面内，因此仍然只能采集单一方向的振动，无法采集各个方向的振动，发电效率仍然有限。因此设计一种宽频带多模态且能够采集多方向振动的压电能量收集装置具有较大的意义和价值。
发明内容
本发明目的是改善普通悬臂梁压电能量收集装置工作频带窄、只能采集单一方向振动的缺陷，提供一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，该空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置具有空间利用率高，结构紧凑，采集能量密度大，能采集多方向振动、工作频带宽等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：包括基础骨架、悬臂梁阵列、磁铁块、压电发电片，所述基础骨架由呈空间坐标式分布的金属管组成，所述悬臂梁阵列由多根悬臂梁组成且由短到长依次排列，所述基础骨架的每根金属管上均排列着一组所述悬臂梁阵列，且悬臂梁阵列垂直于其所在的金属管，所述悬臂梁阵列的安装方向要保证其振动方向与所在金属管的长度方向平行，所述悬臂梁阵列中的每根悬臂梁末端都安装有磁铁块，且相邻悬臂梁之间的磁铁块相同磁极相对，每根所述悬臂梁的根部均粘贴着压电发电片。
所述的基础骨架由三根两两相互垂直的金属管组成，其金属管的材料为铜或铝。
所述三根金属管的一端端部相交固定。
所述的悬臂梁采用弹簧钢等弹性金属材料制造而成。
所述的金属管上的悬臂梁阵列从外到里均是由短到长的等间距分布。
所述的磁铁块采用钕铁硼永磁铁。
所述的压电发电片采用锆钛酸铅压电陶瓷或聚偏氟乙烯。
其原理是通过悬臂梁振动使所述压电发电片产生电能，所述压电发电片通过引线将电能输出。在工作过程中利用悬臂梁阵列在空间中延上下、前后、左右三个维度上分布排列，可以采集到各个方向的振动能量。同一方向上的悬臂梁由短到长，固有频率由大到小，可以采集到较宽频带的激励作用，产生多模态的振动。相邻悬臂梁末端磁铁相互排斥，致使同一方向上的悬臂梁在振动过程中可以相互带动，可进一步加大振动幅度，提高能量收集效率。
与普通悬臂梁压电能量收集装置相比不存在空间利用率低，工作频带窄以及只能采集单方向振动等诸多缺点。对于变化的外界环境中的各种频率的随机激励，本发明可在结构参数固定不变情况下高效地采集多方向、多频率的振动，从而更有效地收集环境中振动能。
本发明的优点是：
1.本发明实用性强，通过对环境中的振动能量进行收集可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件供能，是一种环境友好型能量收集装置。
2.本发明是一种阵列式悬臂梁结构，与普通的悬臂梁式压电能量收集装置相比，空间利用率更高，结构紧凑，采集能量密度大。
3.本发明是一种多模态悬臂梁结构，装置中的各组悬臂梁都由短到长排列，固有频率由大到小，可采集较宽频带的振动。
4.本发明装置中的各组悬臂梁在空间中延上下、前后、左右三个维度上分布排列，其安装方向保证了其振动方向与所在金属管的方向平行，因此能够采集多方向振动，能量采集效率高。
5.本发明中相邻悬臂梁末端磁铁相互排斥，致使同一方向上的不同固有频率的悬臂梁在振动过程中可以相互带动，可进一步加大振动幅度，增加带宽，提高能量收集效率。
附图说明
图 1 为本发明空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置中竖直方向的基础骨架金属管及其表面分布的悬臂梁的平面示意图。
图 2为本发明空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置的整体结构空间示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为基础骨架；2为悬臂梁；3为磁铁块；4为压电发电片；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式：
一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，包括有基础骨架、悬臂梁阵列、磁铁块、压电发电片，基础骨架1由三根两两相互垂直的金属管组成，悬臂梁阵列由多根悬臂梁2组成且由短到长依次排列，基础骨架1的每根金属管上均排列着一组悬臂梁阵列，且悬臂梁阵列垂直于其所在的金属管，悬臂梁阵列的安装方向要保证其振动方向与所在金属管的长度方向平行，悬臂梁阵列中的每根悬臂梁2末端都安装有磁铁块3，且相邻悬臂梁2之间的磁铁块3相同磁极相对，每根悬臂梁2的根部均粘贴着压电发电片4。
图 1 是按照本发明空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置中竖直方向（Z方向）的基础骨架及其表面分布的悬臂梁的平面示意图。如图 1 中所示，Z方向的基础骨架1上排列着一组与它垂直的悬臂梁2，悬臂梁2长度自上而下由短到长。悬臂梁2末端固接着磁铁块3，相邻悬臂梁2末端的磁铁块3同名磁极相对，可相互排斥。悬臂梁2的根部粘贴着压电发电片4。基础骨架1的制造材料可采用铜或铝，悬臂梁2可采用弹簧钢等弹性金属材料制造，磁铁块3可采用钕铁硼永磁铁，压电发电片4可采用锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）或聚偏氟乙烯（PVDF）。当Z方向基础骨架1上的悬臂梁结构2感受到外界的振动激励时，悬臂梁2会在Z方向上下振动，同组悬臂梁2由短到长排列，固有频率由大到小，可采集到较宽频带的外部激励，产生多模态的振动。同时由于相邻悬臂梁2末端的磁铁块3相互排斥，悬臂梁2的振动可以相互带动，在悬臂梁2振动过程中，梁的内部产生剪力和弯矩，尤其根部弯矩最大，应力最集中，这时压电发电片4会感受到应力和应变的作用并产生电荷，电能通过导线引出并被收集。X方向和Y方向的结构与之类似，工作原理也相同。图 2为本发明空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置的整体空间结构示意图。X、Y、Z方向的三根基础骨架金属管上的悬臂梁可分别采集X、Y、Z三个方向的振动，在很大程度上提高了能量收集效率。
本发明空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置可用于机械结构、建筑结构等的振动能量收集，可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件采能和供能，是一种环境友好型能量收集装置。
本发明是一种多模态阵列式的悬臂梁结构，与普通的悬臂梁压电能量收集装置相比，空间利用率更高，结构紧凑，采集能量密度大，可采集多方向宽频带的振动，从而更有效地收集环境中的振动能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：包括基础骨架、悬臂梁阵列、磁铁块、压电发电片，所述基础骨架由呈空间坐标式分布的金属管组成，所述金属管的数量为三根，所述金属管两两相互垂直且一端端部相交固定；所述悬臂梁阵列由多根悬臂梁组成且由短到长依次排列，所述基础骨架的每根金属管上均排列着一组所述悬臂梁阵列，且悬臂梁阵列垂直于其所在的金属管，所述悬臂梁阵列的安装方向要保证其振动方向与所在金属管的长度方向平行，所述悬臂梁阵列中的每根悬臂梁末端都安装有磁铁块，且相邻悬臂梁之间的磁铁块相同磁极相对，每根所述悬臂梁的根部均粘贴着压电发电片。
2.根据权利要求1所述的空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述金属管的材料为铜或铝。
3.根据权利要求1所述的空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的悬臂梁采用弹簧钢制造而成。
4.根据权利要求1所述的空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的金属管上的悬臂梁阵列从外到里均是由短到长的等间距分布。
5.根据权利要求1所述的空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的磁铁块采用钕铁硼永磁铁。
6.根据权利要求1所述的空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的压电发电片采用锆钛酸铅压电陶瓷或聚偏氟乙烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |