CN107317510B - 一种六维压电振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六维压电振动能量收集器，包括基座、多根柔性梁、多根支腿组件和设置在基座上方的惯性质量件，多根柔性梁呈圆周阵列分布，支腿组件与柔性梁一一对应；柔性梁的根部固定连接在基座上以形成悬臂梁结构，柔性梁的自由端与支腿组件的一端固定连接，支腿组件的另一端与惯性质量件固定连接，支腿组件和与其相连的柔性梁之间具有一个夹角；支腿组件包括刚性连杆和两个分别设置在刚性连杆两端的球面副柔性铰链；柔性梁的上表面和/或下表面粘贴有能量转换元件。本发明提升了振动能量的收集效率，并且该六维压电振动能量收集器能够实现多方向、复合线振动以及角振动激励情况下振动能量的收集。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集装置，具体涉及一种六维压电振动能量收集器。
背景技术
从环境能量中收集和获取能量为微电子器件和微传感器提供长时间、持续的电源，可以消除对携带功率或传送数据导线的需求，在无线传感器网络、植入式人体健康检测系统、环境控制系统、军事安全应用系统、野外动物跟踪器件等使用和更换电池不方便的系统中将会有着广阔的应用前景和市场需求。
现有的振动能量收集器的研究大多都是针对单自由度的环境振动情况来开展的，其敏感方向设计成与环境振动的方向一致，当存在方向误差时将会影响到振动能量收集的效率。因此现有的振动能量收集器在安装和工作时需要考虑敏感轴向与环境振动的朝向一致的问题。然而，振动能量收集器在实际工作时环境振动激励的方向往往是随机变化的，会影响到振动能量收集的效率。针对多方向的振动能量收集，南京航空航天大学的李彬在其论文《基于压电材料的多方向振动能量收集系统的研究》中提出了一种杆环结构的多方向压电振动能量收集装置，该装置由一个金属圆环、一个两端可以在金属圆环上自由滑动的轻质杆件、一个可以在轻质杆件上自由滑动的质量块以及两个连接在质量块和轻质杆件与金属圆环接触端的换能结构组成，其中金属圆环可以绕其一条直径的轴自由旋转。将该装置装入振动系统时，质量块的滑动方向会由于惯性自动调节其振动方向，最终趋近于外界的最大振动方向，由此达到收集多个方向振动能量的目的。该装置的缺点是：由于存在转动部件，该装置制作相对复杂，并且要满足转轴部分摩擦小的要求；金属圆环和轻质杆件在调节方向的过程中会消耗一部分能量，存在能量消耗大、振动能量收集效率低的问题；存在方向调节响应不够快、对外界激励水平小的振动敏感程度不高的问题；在垂直于轻质杆件的振动方向上振动时会存在死点；存在长时间工作会导致部件的磨损的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种六维压电振动能量收集器，以提升振动能量的收集效率，并且该六维压电振动能量收集器能够实现多方向、复合线振动以及角振动激励情况下振动能量的收集。
本发明所述的一种六维压电振动能量收集器，包括基座、多根柔性梁、多根支腿组件和设置在所述基座上方的惯性质量件，多根所述柔性梁呈圆周阵列分布，多根所述支腿组件与多根所述柔性梁一一对应；多根所述柔性梁的根部均固定连接在所述基座上以形成悬臂梁结构，多根所述柔性梁的自由端分别与多根所述支腿组件的一端固定连接，多根所述支腿组件的另一端均与所述惯性质量件固定连接，每根所述支腿组件和与其相连的所述柔性梁之间具有一个夹角；多根所述支腿组件均包括刚性连杆和两个分别设置在所述刚性连杆两端的球面副柔性铰链；多根所述柔性梁的上表面和/或下表面粘贴有能量转换元件。
进一步，多根所述柔性梁的结构和尺寸均相同，且多根所述柔性梁呈等间距圆周阵列分布，多根所述支腿组件的结构和尺寸均相同，且多根所述支腿组件呈等间距圆周阵列分布，多根所述柔性梁所对应的旋转轴线与多根所述支腿组件所对应的旋转轴线重合。
进一步，该六维压电振动能量收集器为旋转对称结构，其旋转轴线与多根所述柔性梁所对应的旋转轴线重合。
进一步，所述基座上固定连接有三根所述柔性梁，相邻两根所述柔性梁之间的夹角为120度。
进一步，多根所述柔性梁在同一平面上分布。
进一步，所述惯性质量件包括上平台和设置在所述上平台上的质量块。
进一步，所述质量块呈圆环形。
进一步，多根所述柔性梁与所述基座一体成型，多根所述支腿组件和所述上平台一体成型。
进一步，所述能量转换元件为压电陶瓷片。
进一步，多根所述柔性梁上均设置有减薄槽，所述减薄槽的位置与所述能量转换元件的粘贴位置相对应。
本发明具有以下优点：
1、本发明所述六维压电振动能量收集器能够在特定频率的六维振动激励下产生谐振，并将其转换为电能输出，即能够实现多方向、复合线振动和角振动激励情况下振动能量收集；
2．本发明所述六维压电振动能量收集器的结构设置合理，易于加工和装配，有利于通过MEMS工艺进行微型化、批量化的生产；
3．本发明通过设置支腿组件，并且支腿组件包括有两个球面副柔性铰链，保证了惯性质量件能够发生谐振，同时支腿组件只有转动变形，能够将沿支腿组件轴向的全部振动位移传递到柔性梁上，使六维压电振动能量收集器具有较高的能量收集效率，还具有无死角、无磨损、无空回和能量损失少的优点。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图。
图中：1—基座；2—柔性梁；3—上平台；4—质量块；5—支腿组件；6—刚性连杆；7—球面副柔性铰链；8—能量转换元件；9—减薄槽；10—第一斜块；11—第二斜块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示的一种六维压电振动能量收集器，包括基座1、多根柔性梁2、多根支腿组件5和设置在基座1上方的惯性质量件，基座1和惯性质量件之间具有间隙，多根柔性梁2呈圆周阵列分布，多根支腿组件5与多根柔性梁2一一对应；柔性梁2为长条形结构，多根柔性梁2的根部均固定连接在基座1上以形成悬臂梁结构，多根柔性梁2的自由端与多根支腿组件5的一端固定连接，多根支腿组件5的另一端均与惯性质量件固定连接，每根支腿组件5和与其相连的柔性梁2之间具有一个夹角；为了尽可能多的将惯性质量件的振动通过支腿组件5传递到柔性梁2上，多根支腿组件5均包括刚性连杆6和两个分别设置在刚性连杆6两端的球面副柔性铰链7，由于柔性铰无摩擦和空回，能够减少在铰点处的能量损失；多根柔性梁2的上表面和/或下表面粘贴有能量转换元件8。采用上述结构，当基座1受到特定频率的六维振动激励时，惯性质量件能够在柔性梁2和支腿组件5的支撑下能够产生谐振。惯性质量件谐振时，惯性质量件的振动通过支腿组件5传递到柔性梁2上，然后被能量转换元件8转换为电能输出。由于支腿组件5和与其相连的柔性梁2之间具有一个夹角，并且支腿组件5上具有两个球面副柔性铰链7，确保了惯性质量件能够实现多方向、复合线振动以及角振动，在惯性质量件发生振动时支腿组件5均能够将一部分振动传递到柔性梁2上以使得惯性质量件发生机械变形，避免了出现死角。利用刚性连杆6和两个球面副柔性铰链7，保证了支腿组件5只有转动变形，能够将沿支腿组件5轴向的全部振动位移传递到柔性梁2上，使六维压电振动能量收集器具有较高的能量收集效率。
进一步，为了便于加工和装配，并尽可能使六维压电振动能量收集器在各种位置、各种朝向所收集的能量趋于同性，多根柔性梁2的结构和尺寸均相同，且多根柔性梁2呈等间距圆周阵列分布，多根支腿组件5的结构和尺寸均相同，且多根支腿组件5呈等间距圆周阵列分布，多根柔性梁2所对应的旋转轴线与多根支腿组件5所对应的旋转轴线重合，采用上述结构，所收集的能量趋于同性，降低了对后续的电力输送电路的设计要求。作为一种优选，该六维压电振动能量收集器为旋转对称结构，其旋转轴线与多根柔性梁2所对应的旋转轴线重合。在本实施例中，为了进一步简化系统、降低加工成本，基座1上固定连接有三根柔性梁2，相邻两根柔性梁2之间的夹角为120度。为了进一步简化加工和装配，多根柔性梁2在同一平面上分布，有利于通过MEMS工艺进行微型化、批量化的生产。
作为一种优选，支腿组件5的一端设有用于与柔性梁2固定连接的第一斜块10，支腿组件5的另一端设有用于与惯性质量件固定连接的第二斜块11；一个球面副柔性铰链7位于第一斜块10和刚性连杆6之间，另一个球面副柔性铰链7位于第二斜块11和刚性连杆6之间。在本实施例中球面副柔性铰链7为圆柱体状且均与刚性连杆6同轴设置，并且刚性连杆6的轴线与柔性梁2之间的具有夹角。
作为一种优选，惯性质量件包括上平台3和设置在上平台3上的质量块4。在本实施例中，质量块4通过螺钉安装在上平台3上，通过更换不同结构和质量的质量块4能够获得具有不同特性的六维压电振动能量收集器。
进一步，为了降低六维压电振动能量收集器的角振动固有频率，使其更接近环境振动的频率，质量块4呈圆环形，并尽可能扩大其内圆半径，采用这种结构能够保证惯性质量件具有较大的转动惯量，以降低六维压电振动能量收集器的角振动固有频率。
进一步，为了简化加工和装配，多根柔性梁2与基座1一体成型，多根支腿组件5和上平台3一体成型。在装配时直接将一体成型的支腿组件5和上平台3放置在一体成型的柔性梁2与基座1上，然后将柔性梁2的自由端和支腿组件5之间固定连接在一起即可，有利于通过MEMS工艺进行微型化、批量化的生产。支腿组件5与柔性梁2的自由端之间可通过螺钉连接在一起，也可通过粘接、卡接等常用的连接方式固定连接在一起。
上述的能量转换元件8在发生机械变形时能够产生电能。作为一种优选，能量转换元件8为压电陶瓷片。为了让能量转换元件8产生更大的电能，进一步提高能量收集的效率，柔性梁2为长条形结构，多根柔性梁2上均设置有减薄槽9，减薄槽9的位置与能量转换元件8的粘贴位置相对应，减薄槽9用于减小柔性梁2上粘贴有能量转换元件8的部位处的厚度，柔性梁2厚度是指柔性梁2上表面和下表面之间的间距。在此情况下，柔性梁2变形时其应变集中在减薄槽9处，能够提升能量转换元件8发生机械变形的幅度，从而产生更大的电能。根据悬臂梁的结构特征，作为优选，能量转换元件8均粘贴在柔性梁2的根部处，而减薄槽9也设置在柔性梁2的根部处，以使得能量转换元件8能够发生最大程度的机械变形。
实施例二：
如图2所示，实施例二与实施例一的区别在于：实施二中的柔性梁2为薄板状的长条形结构，这种结构的柔性梁2在不设置减薄槽9的情况下也能够在其根部发生较大幅度的机械变形。
实施例三：
如图3所示，实施例三与实施例一的区别在于：实施例三中的基座1上固定连接有六根柔性梁2，相邻两根柔性梁2之间的夹角为60度。
Claims (10)
1.一种六维压电振动能量收集器，其特征在于：包括基座（1）、多根柔性梁（2）、多根支腿组件（5）和设置在所述基座（1）上方的惯性质量件，多根所述柔性梁（2）呈圆周阵列分布，多根所述支腿组件（5）与多根所述柔性梁（2）一一对应；多根所述柔性梁（2）的根部均固定连接在所述基座（1）上以形成悬臂梁结构，多根所述柔性梁（2）的自由端分别与多根所述支腿组件（5）的一端固定连接，多根所述支腿组件（5）的另一端均与所述惯性质量件固定连接，每根所述支腿组件（5）和与其相连的所述柔性梁（2）之间具有一个夹角；多根所述支腿组件（5）均包括刚性连杆（6）和两个分别设置在所述刚性连杆（6）两端的球面副柔性铰链（7）；多根所述柔性梁（2）的上表面和/或下表面粘贴有能量转换元件（8）。
2.根据权利要求1所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：多根所述柔性梁（2）的结构和尺寸均相同，且多根所述柔性梁（2）呈等间距圆周阵列分布，多根所述支腿组件（5）的结构和尺寸均相同，且多根所述支腿组件（5）呈等间距圆周阵列分布，多根所述柔性梁（2）所对应的旋转轴线与多根所述支腿组件（5）所对应的旋转轴线重合。
3.根据权利要求2所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：该六维压电振动能量收集器为旋转对称结构，其旋转轴线与多根所述柔性梁（2）所对应的旋转轴线重合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：所述基座（1）上固定连接有三根所述柔性梁（2），相邻两根所述柔性梁（2）之间的夹角为120度。
5.根据权利要求1-3任一项所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：多根所述柔性梁（2）在同一平面上分布。
6.根据权利要求1-3任一项所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：所述惯性质量件包括上平台（3）和设置在所述上平台（3）上的质量块（4）。
7.根据权利要求6所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：所述质量块（4）呈圆环形。
8.根据权利要求6所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：多根所述柔性梁（2）与所述基座（1）一体成型，多根所述支腿组件（5）和所述上平台（3）一体成型。
9.根据权利要求1所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：所述能量转换元件（8）为压电陶瓷片。
10.根据权利要求1或9所述的六维压电振动能量收集器，其特征在于：多根所述柔性梁（2）上均设置有减薄槽（9），所述减薄槽（9）的位置与所述能量转换元件（8）的粘贴位置相对应。
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