CN107592033B

CN107592033B - 一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器

Info

Publication number: CN107592033B
Application number: CN201711042434.8A
Authority: CN
Inventors: 程廷海; 卢晓晖; 陈茜炎; 张晓松; 曹展豪; 房彦旭
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN107592033A

Abstract

本发明公开了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，为解决已有气动系统中压电俘能器俘能频带窄、能量转化效率较低等问题。本发明由旋转组件、混合发电组件和气体管道三部分组成，其中旋转组件通过滚动轴承安装在压电发电组件内部，压电发电组件与气体管道旋合连接。本发明通过采用屈曲梁的双稳态结构，拓宽了压电俘能器的俘能频带；利用磁力拨动结构，实现升频的效果，从而提高了能量转化效率。本发明具有安装方便、结构紧凑、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，可通过整流储能电路将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能，在低功耗电子设备供能技术领域有广泛的应用。

Description

一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器

技术领域

本发明涉及一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。

背景技术

随着制造装备技术的智能化水平不断提高及其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到广泛应用。目前，对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要有电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式导致电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。

利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。气体动能是工业生产中大量存在的能量形式，其同样具备安全清洁可再生等优势，但气动系统属于低频振动系统，

其内部设置的压电俘能器的俘能频带窄、能量转化效率较低，无法满足实际应用需求。为了充分采集气动系统中的振动能量，要求压电俘能器具有宽频采集的特性。

发明内容

为解决已有气动系统中压电俘能器俘能频带窄、能量转化效率较低等问题，本发明公开一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，可拓宽压电俘能器的俘能频带，提升压电俘能器能量转化效率。

本发明所采用的技术方案是：本实施方式提供了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的具体实施方案。所述一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器由旋转组件、混合发电组件和气体管道组成，其中混合发电组件对称装配在气体管道两侧，所述气体管道的设置有内螺纹，内螺纹用于混合发电组件和气体管道的旋合连接。

所述旋转组件为对称结构，由扇叶、转轴、轴肩I、轴肩II和扇形磁铁固定槽组成；所述扇叶置于旋转组件中心，扇叶在外界气体激励下带动转轴做旋转运动，所述轴肩I和轴肩II分别设置在靠近转轴一侧的首末两端，轴肩I用于滚珠轴承Ⅰ的固定，轴肩II用于滚珠轴承II的固定；所述扇形磁铁固定槽位于轴肩I和轴肩II之间，且沿转轴的轴向方向均匀设置n个，n为大于等于1的正整数，本具体实施方式中n的取值为3。

所述混合发电组件由腔体、发电装置、悬臂梁发电组件、紧定螺钉Ⅰ、隔流板、紧定螺钉II、滚珠轴承Ⅰ、滚珠轴承II和扇形磁铁组成；所述腔体与气体管道通过螺纹连接，所述发电装置通过紧定螺钉Ⅰ安装在腔体内部，所述隔流板通过紧定螺钉II固定在腔体顶端，隔流板用于排除气体对混合发电组件的干扰；所述滚珠轴承Ⅰ和滚珠轴承II与转轴过盈配合，实现了转轴的放置；所述扇形磁铁环贴在扇形磁铁固定槽内，相邻两扇形磁铁外侧磁极相异固定。

所述腔体设置有外螺纹，螺纹孔Ⅰ、安装槽Ⅰ、通孔Ⅰ和轴承外圈固定面Ⅰ；所述外螺纹置于腔体的上方外轮廓，外螺纹与气体管道设置的内螺纹配合，实现腔体与气体管道的固定；所述螺纹孔Ⅰ位于腔体的顶端，螺纹孔Ⅰ用于隔流板与腔体的固定；所述安装槽Ⅰ周向均匀分布在腔体内壁，且沿转轴轴向均匀设置a个，其中a=n，本具体实施方式中a 的取值为3，悬臂梁发电组件粘接在安装槽Ⅰ内；所述通孔Ⅰ置于腔体的底面，通孔Ⅰ在紧定螺钉Ⅰ的作用下，实现发电装置与腔体的固定；所述轴承外圈固定面Ⅰ与旋转组件中的轴肩II配合，用于固定滚珠轴承II。

所述发电装置由发电组件安装架和屈曲梁发电组件组成；所述发电组件安装架顶端设置有轴承外圈固定面II，轴承外圈固定面II与轴肩I配合用于固定滚珠轴承Ⅰ，所述发电组件安装架内部设有固定槽，其用于安放屈曲梁发电组件，所述发电组件安装架底端设有螺纹孔II，螺纹孔II与通孔Ⅰ通过紧定螺钉Ⅰ连接，使发电组件安装架固定在腔体内部；所述屈曲梁发电组件包括屈曲梁弹性体、压电单元Ⅰ和矩形磁铁，所述屈曲梁弹性体胶粘固定在固定槽内，所述压电单元Ⅰ和矩形磁铁通过环氧树脂胶分别粘接在屈曲梁弹性体的内、外侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，其中矩形磁铁与粘接在转轴上的扇形磁铁有磁力作用，促使屈曲梁弹性体产生振动，随之压电单元Ⅰ发生形变，基于压电材料正压电效应，产生电能。

所述悬臂梁发电组件由悬臂梁弹性体、压电单元II和条形磁铁组成；所述悬臂梁弹性体作为压电单元II和条形磁铁的载体，胶粘固定在安装槽Ⅰ内；所述压电单元II通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁弹性体的两侧；所述条形磁铁通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁弹性体的自由端，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，其中条形磁铁与粘接在转轴上的扇形磁铁有磁力作用，促使悬臂梁弹性体产生振动，随之压电单元II发生形变，基于压电材料正压电效应，产生电能。

所述隔流板上设置有通孔II，通孔II与腔体顶端的螺纹孔Ⅰ在紧定螺钉II的作用，实现隔流板的安装固定。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，一方面采用屈曲梁弹性体作为压电单元的载体，其中屈曲梁为一种双稳态微结构，是一种在其运动空间中具有两个静力学平衡状态的柔顺结构，通过对屈曲梁结构优化设计，拓宽压电俘能器的俘能频带；另一方面采用悬臂梁弹性体作为压电单元的载体，在扇形磁铁激励下使其产生了初始偏转，随之悬臂梁发电组件在其共振频率下自由振动。该装置不仅可以拓宽压电俘能器的俘能频带，而且提升了压电俘能器的能量转化效率，结构紧凑，能量密度高，在低功耗电子设备供能技术领域有广泛的应用。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的结构示意图；

图2所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的旋转组件结构示意图；

图3所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的混合发电组件剖视图；

图4所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的腔体剖视图；

图5所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的发电装置结构示意图；

图6所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的发电组件安装架剖视图；

图7所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的屈曲梁发电组件结构示意图；

图8所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的悬臂梁发电组件结构示意图；

图9所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的隔流板结构示意图；

图10所示为本发明提出的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的气体管道结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式：结合图1~图10说明本实施方式。本实施方式提供了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器的具体实施方案。所述一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器由旋转组件1、混合发电组件2和气体管道3组成，其中混合发电组件2对称装配在气体管道3两侧，所述气体管道3的设置有内螺纹3-1，内螺纹3-1用于混合发电组件2和气体管道3的旋合连接。

所述旋转组件1为对称结构，由扇叶1-1、转轴1-2、轴肩I 1-3、轴肩II 1-4和扇形磁铁固定槽1-5组成；所述扇叶1-1置于旋转组件1中心，扇叶1-1在外界气体激励下带动转轴1-2做旋转运动，所述轴肩I 1-3和轴肩II 1-4分别设置在靠近转轴1-2一侧的首末两端，轴肩I 1-3用于滚珠轴承Ⅰ2-7的固定，轴肩II 1-4用于滚珠轴承II 2-8的固定；所述扇形磁铁固定槽1-5位于轴肩I 1-3和轴肩II 1-4之间，且沿转轴1-2的轴向方向均匀设置n个，n为大于等于1的正整数，本具体实施方式中n的取值为3。

所述混合发电组件2由腔体2-1、发电装置2-2、悬臂梁发电组件2-3、紧定螺钉Ⅰ2-4、隔流板2-5、紧定螺钉II 2-6、滚珠轴承Ⅰ2-7、滚珠轴承II 2-8和扇形磁铁2-9组成；所述腔体2-1与气体管道3通过螺纹连接，所述发电装置2-2通过紧定螺钉Ⅰ2-4安装在腔体2-1内部，所述隔流板2-5通过紧定螺钉II 2-6固定在腔体2-1顶端，隔流板2-5用于排除气体对混合发电组件2的干扰；所述滚珠轴承Ⅰ2-7和滚珠轴承II 2-8与转轴1-2过盈配合，实现了转轴1-2的放置；所述扇形磁铁2-9环贴在扇形磁铁固定槽1-5内，相邻两扇形磁铁2-9外侧磁极相异固定。

所述腔体2-1设置有外螺纹2-1-1，螺纹孔Ⅰ2-1-2、安装槽Ⅰ2-1-3、通孔Ⅰ2-1-4和轴承外圈固定面Ⅰ2-1-5；所述外螺纹2-1-1置于腔体2-1的上方外轮廓，外螺纹2-1-1与气体管道3设置的内螺纹3-1配合，实现腔体2-1与气体管道3的固定；所述螺纹孔Ⅰ2-1-2位于腔体2-1的顶端，螺纹孔Ⅰ2-1-2用于隔流板2-5与腔体2-1的固定；所述安装槽Ⅰ2-1-3周向均匀分布在腔体2-1内壁，且沿转轴轴向均匀设置a个，其中a=n，本具体实施方式中a 的取值为3，悬臂梁发电组件2-3粘接在安装槽Ⅰ2-1-3内；所述通孔Ⅰ2-1-4置于腔体2-1的底面，通孔Ⅰ2-1-4在紧定螺钉Ⅰ2-4的作用下，实现发电装置2-2与腔体2-1的固定；所述轴承外圈固定面Ⅰ2-1-5与旋转组件1中的轴肩II 1-4配合，用于固定滚珠轴承II 2-8。

所述发电装置2-2由发电组件安装架2-2-1和屈曲梁发电组件2-2-2组成；所述发电组件安装架2-2-1顶端设置有轴承外圈固定面II 2-2-1-1，轴承外圈固定面II 2-2-1-1与轴肩I 1-3配合用于固定滚珠轴承Ⅰ2-7，所述发电组件安装架2-2-1内部设有固定槽2-2-1-2，其用于安放屈曲梁发电组件2-2-2，所述发电组件安装架2-2-1底端设有螺纹孔II 2-2-1-3，螺纹孔II 2-2-1-3与通孔Ⅰ 2-1-4通过紧定螺钉Ⅰ2-4连接，使发电组件安装架2-2-1固定在腔体2-1内部；所述屈曲梁发电组件2-2-2包括屈曲梁弹性体2-2-2-1、压电单元Ⅰ2-2-2-2和矩形磁铁2-2-2-3，所述屈曲梁弹性体2-2-2-1胶粘固定在固定槽2-2-1-2内，所述压电单元Ⅰ2-2-2-2和矩形磁铁2-2-2-3通过环氧树脂胶分别粘接在屈曲梁弹性体2-2-2-1的内、外侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，其中矩形磁铁2-2-2-3与粘接在转轴1-2上的扇形磁铁2-9有磁力作用，促使屈曲梁弹性体2-2-2-1产生振动，随之压电单元Ⅰ2-2-2-2发生形变，基于压电材料正压电效应，产生电能。

所述悬臂梁发电组件2-3由悬臂梁弹性体2-3-1、压电单元II 2-3-2和条形磁铁2-3-3组成；所述悬臂梁弹性体2-3-1作为压电单元II 2-3-2和条形磁铁2-3-3的载体，胶粘固定在安装槽Ⅰ2-1-3内；所述压电单元II 2-3-2通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁弹性体2-3-1的两侧；所述条形磁铁2-3-3通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁弹性体2-3-1的自由端，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，其中条形磁铁2-3-3与粘接在转轴1-2上的扇形磁铁2-9有磁力作用，促使悬臂梁弹性体2-3-1产生振动，随之压电单元II 2-3-2发生形变，基于压电材料正压电效应，产生电能。

所述隔流板2-5上设置有通孔II 2-5-1，通孔II 2-5-1与腔体2-1顶端的螺纹孔Ⅰ2-1-2在紧定螺钉II 2-6的作用，实现隔流板2-5的安装固定。

工作原理：本发明公开了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，该装置由旋转组件1、混合发电组件2和气体管道3组成，其中混合发电组件2内设有屈曲梁发电组件2-2-2和悬臂梁发电组件2-3。外界气体进入气体管道3冲击旋转组件1中的扇叶1-1使其发生旋转，从而带动转轴1-2及其上方的扇形磁体2-9转动，转轴1-2上交错粘接磁极相异的扇形磁铁2-9，一方面激励屈曲梁发电组件2-2-2，使屈曲梁弹性体2-2-2-1在其运动空间内的两个静力学平衡状态相互转化，实现双稳态，拓宽了俘能器的能量收集频带；另一方面转动的扇形磁铁2-9激励悬臂梁发电组件2-3，使其产生了初始偏转，随之悬臂梁发电组件2-3在其振动频率下自由振动，提升了悬臂梁发电组件2-3俘能频率。该装置不仅可以拓宽压电俘能器的俘能频带，而且提升了压电俘能器的能量转化效率。

综上所述，本发明公开了一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，基于磁力调控、结构优化设计的方法，有效地将气体能量转化为电能，本发明具有结构紧凑，能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，可通过整流储能电路将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能，在低功耗电子设备供能技术领域有广泛的应用。

Claims

1.一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，该磁力拨动压电俘能器由旋转组件（1）、混合发电组件（2）和气体管道（3）组成，所述旋转组件（1）置于混合发电组件（2）和气体管道（3）内部，混合发电组件（2）对称装配在气体管道（3）两侧；所述旋转组件（1）为对称结构，旋转组件（1）包括扇叶（1-1）、转轴（1-2）、轴肩I（1-3）、轴肩II（1-4）和扇形磁铁固定槽（1-5），所述扇叶（1-1）置于旋转组件（1）中心，扇叶（1-1）在外界气体激励下做旋转运动，所述轴肩I（1-3）和轴肩II（1-4）分别设置在靠近转轴（1-2）一侧的首末两端，所述扇形磁铁固定槽（1-5）位于轴肩I（1-3）和轴肩II（1-4）之间，且沿转轴（1-2）轴向均匀设置n个，n为大于等于1的正整数；所述混合发电组件（2）包括腔体（2-1）、发电装置（2-2）、悬臂梁发电组件（2-3）、紧定螺钉Ⅰ（2-4）、隔流板（2-5）、紧定螺钉II（2-6）、滚珠轴承Ⅰ（2-7）、滚珠轴承II（2-8）和扇形磁铁（2-9），所述腔体（2-1）与气体管道（3）通过螺纹连接，所述发电装置（2-2）通过紧定螺钉Ⅰ（2-4）安装在腔体（2-1）内部，所述悬臂梁发电组件（2-3）胶粘在腔体（2-1）内壁，所述隔流板（2-5）圆周边缘设置有通孔II（2-5-1），通孔II（2-5-1）与腔体（2-1）顶端的螺纹孔Ⅰ（2-1-2）通过紧定螺钉II（2-6），使隔流板（2-5）固定在腔体（2-1）顶端，所述滚珠轴承Ⅰ（2-7）和滚珠轴承II（2-8）与转轴（1-2）过盈配合，滚珠轴承Ⅰ（2-7）作用在轴肩I（1-3），滚珠轴承II（2-8）作用在轴肩II（1-4），所述扇形磁铁（2-9）环贴在扇形磁铁固定槽（1-5）内，相邻两扇形磁铁（2-9）外侧磁极相异固定；所述气体管道（3）设置有内螺纹（3-1），内螺纹（3-1）设置在气体管道（3）和腔体（2-1）连接处，腔体（2-1）通过其外轮廓上方的外螺纹（2-1-1）和内螺纹（3-1）的旋合链接固定在气体管道（3）的两侧；其特征在于所述腔体（2-1）设置有外螺纹（2-1-1）、螺纹孔Ⅰ（2-1-2）、安装槽Ⅰ（2-1-3）、通孔Ⅰ（2-1-4）和轴承外圈固定面Ⅰ（2-1-5），所述外螺纹（2-1-1）置于腔体（2-1）的上方外轮廓，所述螺纹孔Ⅰ（2-1-2）位于腔体（2-1）顶端，所述安装槽Ⅰ（2-1-3）周向均匀分布在腔体（2-1）内壁，且沿转轴轴向均匀设置a个，其中a=n，所述通孔Ⅰ（2-1-4）置于腔体（2-1）的底面，所述轴承外圈固定面Ⅰ（2-1-5）与旋转组件（1）中的轴肩II（1-4）配合固定滚珠轴承II（2-8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，其特征在于所述发电装置（2-2）包括发电组件安装架（2-2-1）和屈曲梁发电组件（2-2-2）；所述发电组件安装架（2-2-1）顶端设置有轴承外圈固定面II（2-2-1-1），轴承外圈固定面II（2-2-1-1）与旋转组件（1）中的轴肩I（1-3）配合固定滚珠轴承I（2-7），所述发电组件安装架（2-2-1）内部设有固定槽（2-2-1-2），所述发电组件安装架（2-2-1）底端设有螺纹孔II（2-2-1-3），螺纹孔II（2-2-1-3）与通孔Ⅰ（2-1-4）通过紧定螺钉Ⅰ（2-4）连接，使发电组件安装架（2-2-1）固定在腔体（2-1）内部；所述屈曲梁发电组件（2-2-2）包括屈曲梁弹性体（2-2-2-1）、压电单元Ⅰ（2-2-2-2）和矩形磁铁（2-2-2-3），所述屈曲梁弹性体（2-2-2-1）胶粘固定在固定槽（2-2-1-2）内，所述压电单元Ⅰ（2-2-2-2）和矩形磁铁（2-2-2-3）通过环氧树脂胶分别粘接在屈曲梁弹性体（2-2-2-1）的内、外侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于双稳态宽频结构的转动式磁力拨动压电俘能器，其特征在于所述悬臂梁发电组件（2-3）包括悬臂梁弹性体（2-3-1）、压电单元II（2-3-2）和条形磁铁（2-3-3），所述悬臂梁弹性体（2-3-1）胶粘固定在安装槽Ⅰ（2-1-3）内，所述压电单元II（2-3-2）通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁（2-3-1）的两侧，所述条形磁铁（2-3-3）通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁（2-3-1）的自由端。