CN107493038B - 一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置，属于新型能源领域。由单体势垒可变双稳态振动能量采集装置、底座和紧固螺母组成，所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的数量为2个以上，底座设有中心杆和环形槽，环形槽个数与单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的个数一致，单体势垒可变双稳态振动能量采集装置通过环形槽并用紧固螺母与底座固定连接。优点是实现采集多方向振动能量并且可调整采集方向以达到最优，以提高能量转换效率；通过调节装置中的弹性梁可实现双稳态振动能量采集中的势垒可变，以进一步提高能量转换效率。

Description

一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置
技术领域
本发明涉及新型能源领域，特别涉及一种旋转式多方向双稳态振动能量采集装置。
背景技术
压电式振动能量采集装置由于结构相对简单紧凑、无需用外部电源而收到广泛关注。而基于磁力的双稳态振动能量采集装置由于其在低频环境下能大幅提高输出能量效率和拓宽频域而成为研究热点。
目前存在的双稳态振动能量采集装置，势垒固定，对于达不到阈值的激励，双稳态能量采集装置能量转换效率极低，因此设计一种势垒可变的双稳态振动能量采集装置对于提高能量转换效率是有重要意义的。而高毓璣所提出的弹性支撑的双稳态能量采集装置振动中势垒的变化是随机的，可能导致悬臂梁和外磁铁同时处于大势垒或小势垒，从而导致此时能量转换效率较低(高毓璣，冷永刚，范胜波等，弹性支撑双稳压电悬臂梁振动响应及能量采集研究[J]，物理学报，2014,，63(9)：90501-090501)。
目前存在的双稳态振动能量采集装置大多为单方向，且采集方向相对固定。而环境中的振动通常为多方向的，且不同环境相对最优的方向不同。因此设计一种能够采集多方向振动能量、可调整采集方向的双稳态振动能量采集装置对于提高能量转换效率是有重要意义的。
发明内容
本发明提供一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置，以解决目前势垒固定双稳态振动能量采集装置存在的对于达不到阈值的激励、能量转换效率极低的问题。
本发明采取的技术方案是：由单体势垒可变双稳态振动能量采集装置、底座和紧固螺母组成，所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的数量为2个以上，底座设有中心杆和环形槽，环形槽个数与单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的个数一致，单体势垒可变双稳态振动能量采集装置通过环形槽并用紧固螺母与底座固定连接；
本发明所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置包括基座、调节装置、固定块、固定螺钉和采集装置，其中采集装置一端由固定块、固定螺钉固定于基座上，调节装置与基座连接，固定块与中心杆转动连接，固定块的细杆用于与紧固螺母连接；
本发明所述调节装置包括调节盒、螺纹调节杆、调节基座、压块、压块螺钉、弹性梁和下磁铁；其中弹性梁一端粘有下磁铁，另一端夹在调节基座和压块间、并用压块螺钉固定，调节基座、压块和压块螺钉均置于调节盒中，左侧螺纹调节杆通过与调节盒的圆形螺纹孔的螺纹连接，与调节基座相连，右侧弹性梁通过调节盒的矩形槽伸出，调节盒左侧设有滑块，置于基座的导轨中，并用基座压块和基座压块螺钉固定，左侧设有弹簧夹，与基座的等间距的卡槽配合。
本发明所述弹性梁采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
本发明所述采集装包括压电片、悬臂梁、磁铁固定块和上磁铁；其中压电片粘于悬臂梁上，磁铁固定块粘于悬臂梁自由端上，上磁铁粘于磁铁固定块上，所述上磁铁与下磁铁磁极相斥放置。
本发明的有益效果在于：通过阵列式的单体势垒可变双稳态振动能量采集装置可绕中心杆在环形槽中旋转，从而实现采集多方向振动能量并且可调整采集方向以达到最优，以提高能量转换效率；通过调节装置中的弹性梁可实现双稳态振动能量采集中的势垒可变，并且可通过调节装置使上下磁铁间距和弹性梁刚度在不同振动环境下均能达到最优，以进一步提高能量转换效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明单体势垒可变双稳态振动能量采集装置为2个时的结构示意图；
图3是本发明单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的基座结构示意图；
图4是本发明基座与调节装置局部剖视图；
图5是本发明调节装置剖视图；
图6是在磁铁间距d＝5.60mm，外界激励振幅A＝5mm，频率f＝pi rad/s的条件下，势垒固定和势垒可变双稳态振动能量采集装置的位移时域图；
图7为在外界激励振幅A＝5mm时，势垒固定和势垒可变双稳态振动能量采集装置均取最优磁铁间距时的位移频谱图；
附图说明：1单体势垒可变双稳态振动能量采集装置；101基座；10101卡槽；10102导轨；10103细杆；10104基座压块；10105基座压块螺钉；102调节装置；10201调节盒；10202螺纹调节杆；10203调节基座；10204压块；10205压块螺钉；10206弹性梁；10207下磁铁；10208矩形槽；10209弹簧夹；10210圆形螺纹孔；10211滑块；103固定块；104固定螺钉；105采集装置；10501压电片；10502悬臂梁；10503磁铁固定块；10504上磁铁；2底座；201中心杆；202环形槽；3紧固螺母。
具体实施方式
由单体势垒可变双稳态振动能量采集装置1、底座2和紧固螺母3组成，所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置1的数量为2个以上，底座2设有中心杆201和环形槽202，环形槽202个数与单体势垒可变双稳态振动能量采集装置1的个数一致，单体势垒可变双稳态振动能量采集装置通过环形槽202并用紧固螺母3与底座2固定连接；
所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置1包括基座101、调节装置102、固定块103、固定螺钉104和采集装置105，其中采集装置105一端由固定块103、固定螺钉104固定于基座101上，调节装置102与基座101连接，固定块103与中心杆201转动连接；固定块103的10103细杆用于与紧固螺母3连接
所述调节装置102包括调节盒10201、螺纹调节杆10202、调节基座10203、压块10204、压块螺钉10205、弹性梁10206和下磁铁10207；其中弹性梁10206一端粘有下磁铁10207，另一端夹在调节基座10203和压块10204间并用压块螺钉10205固定，调节基座10203、压块10204和压块螺钉10205均置于调节盒10201中，左侧螺纹调节杆10202通过与调节盒10201的圆形螺纹孔10210的螺纹连接，与调节基座10203相连，右侧弹性梁10206通过调节盒10201的矩形槽10208伸出，调节盒10201左侧设有滑块10211，置于基座101的导轨10102中，并用基座压块10104和基座压块螺钉10105固定，左侧设有弹簧夹10209，与基座101的等间距的卡槽10101配合。
所述弹性梁10206采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
所述采集装105包括压电片10501、悬臂梁10502、磁铁固定块10503和上磁铁10504；其中压电片10501粘于悬臂梁10502上，磁铁固定块10503粘于悬臂梁10502自由端上，上磁铁10504粘于磁铁固定块10503上。
所述上磁铁10504与下磁铁10207磁极相斥放置，且应相距适宜距离以保证能够实现双稳态振动能量采集。
工作原理是：根据振动环境中的主要振动方向，选择单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的阵列个数，并旋转至能对应采集每个主要振动方向，并用紧固螺钉固定，以提高能量转换效率。当环境振动作用到基座上时，采集装置会在磁斥力作用下做大幅阱间振动从而压电片产生电输出。弹性梁起到使势垒可变的作用，当悬臂梁振动时，磁铁排斥力逐渐增强并使弹性梁向下弯曲，导致弹性梁自由端的磁铁下降，势垒降低，直到中间位置，此时弹性梁被压缩到最大程度，势垒最低，当悬臂梁继续振动到右侧时，磁铁排斥力逐渐减弱而弹性梁的回复力占主导，使得弹性梁自由端的磁铁逐渐上升，势垒升高，这使得采集装置的悬臂梁产生更大的变形，直到到达系统的右稳态位置，弹性梁自由端的磁铁升至最高，因此，本发明可以实现在低激励的环境下产生更高的输出，以进一步提高能量转换效率。
图6展示了在磁铁间距d＝5.60mm，外界激励振幅A＝5mm，频率f＝pi rad/s的条件下，势垒固定和势垒可变双稳态振动能量采集装置的位移时域图。从图中可以看出，势垒固定的双稳态振动能量采集装置此时只能在稳态点附近振动，即只能实现阱内振动，而势垒可变的双稳态振动能量采集装置可以实现阱间大幅振动，因为势垒可变的双稳态振动能量采集装置使得中间位置的势垒高度降低，这使得能实现阱间跃迁运动所需外界激励的能量变小。因此，势垒可变双稳态振动能量采集装置的输出位移远远大于势垒固定的双稳态振动能量采集装置。
图7展示了在外界激励振幅A＝5mm时，势垒固定和势垒可变双稳态振动能量采集装置均取最优磁铁间距时的位移频谱图。从图中可以看出，势垒可变双稳态振动能量采集装置比势垒固定双稳态振动能量采集装置在很宽的频域(0.5-6.5Hz)上有更高的输出位移，因为势垒可变的双稳态振动能量采集装置使得稳态点势垒的高度升高，这使得采集装置的悬臂梁产生更大的变形。因此，势垒可变双稳态振动能量采集装置较势垒固定的双稳态振动能量采集装置有更高的能量转换效率。
本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

Claims (2)

1.一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置，其特征在于：由单体势垒可变双稳态振动能量采集装置、底座和紧固螺母组成，所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的数量为2个以上，底座设有中心杆和环形槽，环形槽个数与单体势垒可变双稳态振动能量采集装置的个数一致，单体势垒可变双稳态振动能量采集装置通过环形槽并用紧固螺母与底座固定连接；
所述单体势垒可变双稳态振动能量采集装置包括基座、调节装置、固定块、固定螺钉和采集装置，其中采集装置一端由固定块、固定螺钉固定于基座上，调节装置与基座连接，固定块与中心杆转动连接，固定块的细杆用于与紧固螺母连接；
所述调节装置包括调节盒、螺纹调节杆、调节基座、压块、压块螺钉、弹性梁和下磁铁；其中弹性梁一端粘有下磁铁，另一端夹在调节基座和压块间、并用压块螺钉固定，调节基座、压块和压块螺钉均置于调节盒中，左侧螺纹调节杆通过与调节盒的圆形螺纹孔的螺纹连接，与调节基座相连，右侧弹性梁通过调节盒的矩形槽伸出，调节盒左侧设有滑块，置于基座的导轨中，并用基座压块和基座压块螺钉固定，左侧设有弹簧夹，与基座的等间距的卡槽配合；
所述采集装置包括压电片、悬臂梁、磁铁固定块和上磁铁；其中压电片粘于悬臂梁上，磁铁固定块粘于悬臂梁自由端上，上磁铁粘于磁铁固定块上，所述上磁铁与下磁铁磁极相斥放置。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式多方向势垒可变双稳态振动能量采集装置，其特征在于：所述弹性梁采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
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