CN108011543A - 双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器 - Google Patents

双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器 Download PDF

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张琪昌
王辰
王炜
赵开元
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters
    • H02N2/188Vibration harvesters adapted for resonant operation

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Abstract

本发明公开了一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,包括外壳、驱动悬臂梁Ⅰ、驱动悬臂梁Ⅱ和两个高频压电悬臂梁;驱动悬臂梁Ⅰ的一端开口且自开口端向另一端延伸设置有用于容纳驱动悬臂梁Ⅱ的通槽,驱动悬臂梁Ⅰ的开口端紧固在外壳上,另一端固定有配重块及铷铁硼永磁体Ⅰ;所述驱动悬臂梁Ⅱ位于驱动悬臂梁Ⅰ的通槽内部,其一端紧固在外壳上,另一端固定有配重块及铷铁硼永磁体Ⅱ;所述两个高频压电悬臂梁对称布置于驱动悬臂梁Ⅰ的中性面两侧,通过外壳固定;在驱动悬臂梁Ⅰ外端延伸方向的外壳上固定有铷铁硼永磁体Ⅲ。本发明通过两个驱动悬臂梁的相互激励作用可以避免悬臂梁振子陷入某个外侧势阱而导致的振动能量采集器失效现象。

Description

双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器
技术领域
本发明属于振动能量采集技术领域,具体涉及一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器。
背景技术
目前,公知的宽频多稳态升频压电振动能量采集器多是利用一个低频振子耦合环境中的振动,然后通过碰撞或磁力作用将低频振子的动能传递给具有高固有频率的压电单晶片悬臂梁,进而通过机电耦合产生电能。采集器的多稳态特性主要依靠外加的磁场作用。当稳态数量到达三个或以上时,需要至少两个外部独立磁铁来形成所需磁场。从系统势能的形式上看,这种采集器具有多个势阱。通过振子在多个势阱之间的振动(阱间振动)来实现宽频和大幅振动。需要注意的是,系统势能中各个势阱所对应的共振频率是不同的,外侧势阱内的共振频率远高于内侧势阱。当采集器振子的初始位置落于外侧势阱时,环境中的低频振动将很难再将振子激发出外侧势阱(因为振子的运动将不再受益于放大系数)。这时,采集器将无法继续工作。此外,两个外部独立磁铁的间距对采集器的动力特性具有显著影响,而这种影响往往并不是积极的。这使得小型振动能量采集器的生产过程中产生的微小制造误差会造成意想不到的不良结果。因此,简化多稳态升频振动能量采集器的磁场配置形式,开发能够充分利用磁场性能,拥有小型化设计潜力并能够克服外侧势阱对低频共振的阻碍作用的宽频多稳态升频振动能量采集器是十分必要的。
发明内容
为了克服现有的宽频多稳态升频振动能量采集器中外侧势阱对低频共振的阻碍作用,改进磁场设置复杂、利用率低,无法进一步小型化的缺陷,并进一步提高采集器在小激励下的输出效果,本发明提供一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,该采集器通过两个驱动悬臂梁的相互激励作用可以避免悬臂梁振子陷入某个外侧势阱而导致的振动能量采集器失效现象。同时,采集器磁场的新型设计减少了产生多稳态特性所需外部永磁体的数量并提高了磁场利用率,从而降低了生产装配的难度,使得采集器可以进一步的小型化和集成化。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,包括外壳、驱动悬臂梁Ⅰ、驱动悬臂梁Ⅱ、铷铁硼永磁体Ⅰ、铷铁硼永磁体Ⅱ、铷铁硼永磁体Ⅲ、两个高频压电悬臂梁、以及配重块;
所述驱动悬臂梁Ⅰ的一端开口且自开口端向另一端延伸设置有用于容纳驱动悬臂梁Ⅱ的通槽,驱动悬臂梁Ⅰ的开口端紧固在外壳上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块及铷铁硼永磁体Ⅰ;所述驱动悬臂梁Ⅱ位于驱动悬臂梁Ⅰ的通槽内部,其一端紧固在外壳上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块及铷铁硼永磁体Ⅱ,且驱动悬臂梁Ⅰ和驱动悬臂梁Ⅱ在同一平面;所述两个高频压电悬臂梁对称布置于驱动悬臂梁Ⅰ的中性面两侧,通过外壳固定,与所述铷铁硼永磁体Ⅰ的上下表面在铅垂方向上相距一定距离;所述铷铁硼永磁体Ⅲ固定在驱动悬臂梁Ⅰ外端延伸方向上的外壳上;所述铷铁硼永磁体Ⅰ、铷铁硼永磁体Ⅱ和铷铁硼永磁体Ⅲ的极化方向相同,极化方向均垂直于驱动悬臂梁Ⅰ的中性面。
在上述技术方案中,所述驱动悬臂梁Ⅰ为C字形。
在上述技术方案中,所述驱动悬臂梁Ⅰ端部设置有两个配重块和一个铷铁硼永磁体Ⅰ,两个配重块对称固定在铷铁硼永磁体Ⅰ的上、下两侧。
本发明的优点和有益效果为:
(1)减少了当采集器稳态数量到达三个或以上时所需外部永磁体的数量并提高了磁场利用率,从而降低了生产装配的难度,使得采集器可以进一步的小型化和集成化;
(2)通过单稳态驱动梁对多稳态驱动梁的激励作用,克服了多稳态升频振动能量采集器外侧势阱对低频共振的阻碍作用,降低了低频激励下采集器正常工作所需的外界激励强度;
(3)在高频激励下,通过多稳态驱动梁对单稳态驱动梁的激励作用,使得单稳态驱动梁得以正常工作,进而提升了采集器的能量收集效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是驱动悬臂梁Ⅰ和驱动悬臂梁Ⅱ配合的俯视图。
图3是实施例中驱动悬臂梁Ⅰ的势能状态示意。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参见附图,本发明中的双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,包括外壳1、驱动悬臂梁Ⅰ2、驱动悬臂梁Ⅱ3、铷铁硼永磁体Ⅰ4、铷铁硼永磁体Ⅱ5、铷铁硼永磁体Ⅲ6、两个高频压电悬臂梁8、以及配重块;
所述驱动悬臂梁Ⅰ2为C字形,即驱动悬臂梁Ⅰ2的一端开口且自开口端向另一端延伸设置有用于容纳驱动悬臂梁Ⅱ3的通槽,所述驱动悬臂梁Ⅰ2的开口端紧固在外壳1上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块7-1及铷铁硼永磁体Ⅰ4;所述驱动悬臂梁Ⅱ3位于C字形驱动悬臂梁Ⅰ2的通槽内部,其一端紧固在外壳1上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块7-2及铷铁硼永磁体Ⅱ5,且(在初始状态下)驱动悬臂梁Ⅰ2和驱动悬臂梁Ⅱ3在同一平面;所述两个高频压电悬臂梁8对称布置于C字形驱动悬臂梁Ⅰ2的中性面两侧,通过外壳1固定,与所述铷铁硼永磁体Ⅰ4的上下表面在铅垂方向上相距一定距离D;所述铷铁硼永磁体Ⅲ6固定在C字形驱动悬臂梁Ⅰ2外端延伸方向上的外壳1上;所述铷铁硼永磁体Ⅰ4、铷铁硼永磁体Ⅱ5和铷铁硼永磁体Ⅲ6的极化方向相同,极化方向均垂直于C字形驱动悬臂梁Ⅰ2的中性面。
进一步的,所述驱动悬臂梁Ⅰ端部设置有两个配重块7-1和一个铷铁硼永磁体Ⅰ4,两个配重块7-1对称固定在铷铁硼永磁体Ⅰ4的上、下两侧,由于铷铁硼永磁体脆性很大,受到撞击容易破碎,因此在铷铁硼永磁体Ⅰ4的上、下两侧分别设置配重块7-1,这样在工作时,驱动悬臂梁Ⅰ2在运动中与高频压电悬臂梁8发生碰撞时,能够使配重块7-1振击高频压电悬臂梁,而不是铷铁硼永磁体Ⅰ4直接撞击高频压电悬臂梁8,从而防止铷铁硼永磁体Ⅰ4破碎。
使用时,采集器固定于振动结构表面,在垂直于梁的振动分量的激励下,驱动悬臂梁Ⅰ2和驱动悬臂梁Ⅱ3产生振动,驱动悬臂梁Ⅰ2在运动中可以与高频压电悬臂梁8发生碰撞。由于铷铁硼永磁体Ⅲ6对驱动悬臂梁Ⅰ2具有磁力作用,这种磁力与驱动悬臂梁Ⅰ振动过程中的恢复力共同形成的势能函数形式如图2所示,可以看出,碰撞后驱动悬臂梁Ⅰ2和高频压电悬臂梁8共同继续向外侧运动时会经过两个稳定的平衡位置,即跨越两个外侧势阱。由于结构的对称性,驱动悬臂梁Ⅰ2在整个运动范围内具有五个稳定的平衡位置。由于铷铁硼永磁体Ⅲ对内侧驱动悬臂梁Ⅱ自由端处铷铁硼永磁体Ⅱ的磁力作用,内侧驱动悬臂梁Ⅱ3在未与高频压电悬臂梁8碰撞时表现出单稳态软非线性特性,其在低频激励下可产生大幅振动。当外侧驱动悬臂梁Ⅰ2陷入外侧势阱时,通过铷铁硼永磁体Ⅰ4和铷铁硼永磁体Ⅱ5的磁力作用或内侧驱动悬臂梁Ⅱ3与高频压电悬臂梁8的碰撞,将内侧驱动悬臂梁Ⅱ3的动能转化为外侧驱动悬臂梁Ⅰ2和高频压电悬臂梁8的势能。随后,通过势能的释放,将外侧驱动悬臂梁Ⅰ2激励出外侧势阱,保证外侧驱动悬臂梁Ⅰ2在低频激励下正常工作。当激励频率升高后,外侧驱动悬臂梁Ⅰ2无需额外激励即可越出外侧势阱。此时,外侧驱动悬臂梁Ⅰ2可对内侧驱动悬臂梁Ⅱ3形成激励作用,使驱动悬臂梁Ⅱ3能够继续与高频压电悬臂梁8发生碰撞,进而提高等效固有频率,维持自身共振状态。
本发明的设计通过两个驱动悬臂梁的相互激励作用可以避免悬臂梁振子陷入某个外侧势阱而导致的振动能量采集器失效现象。同时,采集器磁场的新型设计减少了产生多稳态特性所需外部永磁体的数量并提高了磁场利用率,从而降低了生产装配的难度,使得采集器可以进一步的小型化和集成化。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,其特征在于:包括外壳、驱动悬臂梁Ⅰ、驱动悬臂梁Ⅱ、铷铁硼永磁体Ⅰ、铷铁硼永磁体Ⅱ、铷铁硼永磁体Ⅲ、两个高频压电悬臂梁、以及配重块;
所述驱动悬臂梁Ⅰ的一端开口且自开口端向另一端延伸设置有用于容纳驱动悬臂梁Ⅱ的通槽,驱动悬臂梁Ⅰ的开口端紧固在外壳上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块及铷铁硼永磁体Ⅰ;所述驱动悬臂梁Ⅱ位于驱动悬臂梁Ⅰ的通槽内部,其一端紧固在外壳上,另一端固定有用于充当惯性质量的配重块及铷铁硼永磁体Ⅱ,且驱动悬臂梁Ⅰ和驱动悬臂梁Ⅱ在同一平面;所述两个高频压电悬臂梁对称布置于驱动悬臂梁Ⅰ的中性面两侧,通过外壳固定,与所述铷铁硼永磁体Ⅰ的上下表面在铅垂方向上相距一定距离;所述铷铁硼永磁体Ⅲ固定在驱动悬臂梁Ⅰ外端延伸方向上的外壳上;所述铷铁硼永磁体Ⅰ、铷铁硼永磁体Ⅱ和铷铁硼永磁体Ⅲ的极化方向相同,极化方向均垂直于驱动悬臂梁Ⅰ的中性面。
2.根据权利要求1所述的一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,其特征在于:所述驱动悬臂梁Ⅰ为C字形。
3.根据权利要求1所述的一种双重梁互激式宽频多稳态升频振动能量采集器,其特征在于:所述驱动悬臂梁Ⅰ端部设置有两个配重块和一个铷铁硼永磁体Ⅰ,两个配重块对称固定在铷铁硼永磁体Ⅰ的上、下两侧。
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