CN108023502A - 一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能量收集设备领域，并公开了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组；磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在磁铁固定机座上，磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。本发明可以在微弱振动的环境下依然可以得到很高的能量，提高了能量收集的效率。通过调节磁铁之间的相对距离，可以调节能量收集效率以及工作频率的范围。
Description
技术领域
本发明属于能量收集设备领域，更具体地，涉及一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置。
背景技术
随着传感网络硬件的发展，将网络嵌入各种航空，民用和机械基础设施的方法在经济上和技术上都成为可能。但是，在系统需要电缆去获得传统能源或电池需要不时更换的情况下，“嵌入式”传感的概念并不能完全实现。因此需要收集和储存能量使得这些嵌入式系统能够尽可能的自动化。虽然现在大尺度上太阳能和风能作为能量采集已经是成熟的技术，但在小尺度，低能量，嵌入式传感系统中的能量采集发展，仍处于发展阶段。
因此基于热电效应，光伏效应，压电效应，电磁效应等原理，利用电子元器件从工作环境中的温度梯度，光照，机械振动中获取能量，从而转换为电能的能量采集技术应运而生。能量收集技术是一种利用能量收集器从其周边环境中获取能量的技术,也因此被称为新型环境能量釆集技术。本质上是利用机械运动来产生电能。其中,机械运动能包括风能、振动能、旋转动能、以及其他能量如人体动能等。能量收集器能够利用各种不同的压电材料,将环境中的能量进行转化,以电能的形式进行储存和利用。
能量收集器工作时无需消耗任何能量,具有再利用、无污染的优点,应用领域包括交通、海洋、微机电系统、微小型电子设备等。尤其是20世纪90年代末以来,在日常生活中,经常要用到尺寸介于微米和毫米之间的微型器件,例如汽车安全气囊系统的加速计和喷墨打印机的微喷嘴等各种无线传感器和MEMS器件,利用锂电池供电已经无法满足这类微型器件的使用要求，这就促使能量收集器得到越来越多的重视。
在众多可釆集的能量当中,振动能或运动能是一种最为普遍，也是人人都能轻易接触到的能量,比如土木工程中的高楼，桥梁，铁路等,又比如人体中肢体运动、血液流动、心脏跳动等生命过程中,且有着较高的能量密度。对振动能进行收集将在无线网络、嵌入式系统、低能耗设备等方面的有着非常广泛的应用，而传统的线性能量收集器的工作频率范围较窄，能量采集效率不高，难以满足一些场合下的使用要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，通过磁铁之间引力的作用，增大压电片的振动幅度，并且使得振动进入非线性阶段，从而提高了收集的能量并且拓宽了工作频率范围。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组，其中，
所述竖向机座和所述磁铁固定机座均竖直安装在所述底座上；
所述压电片夹紧块和所述磁铁固定块分别安装在所述竖向机座和所述磁铁固定机座上；
所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在所述磁铁固定机座上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。
优选地，所述竖向机座由不锈钢制成。
优选地，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。
优选地，所述磁铁固定机座上竖直设置有长条孔，所述磁铁固定块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述磁铁固定块上的螺栓孔后将所述磁铁固定块固定在所述磁铁固定机座上。
优选地，所述磁铁组还包括磁铁C，所述磁铁C、磁铁B和磁铁A依次从下往上设置，并且磁铁C和磁铁B相对的一侧为异名磁极。
优选地，所述压电片是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。
优选地，所述磁铁组为强磁铁组。
优选地，所述磁铁B上下位置可调整地安装在所述磁铁固定机座上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明可以根据需求改变压电片的尺寸与型号，可更换刚度与质量各不相同的压电片。通过改变刚度比和质量比会改变压电片的振动幅度，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
2)本发明可以根据需求改变磁铁的质量和磁场强度，可以更换质量和磁场强度不同的磁铁，通过改变质量比以及引力大小，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
3)夹紧块以及磁铁固定块是可以上下移动的，所以可以调节磁铁之间的距离，也就是可以调节磁场强度来改变引力的大小。引力的改变会使得压电片振动幅度的改变，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明与常规线性振动能量收集装置的扫频下电容电压的对比曲线。
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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，包括底座2、竖向机座1、磁铁固定机座5、压电片夹紧块3、磁铁固定块6、压电片4和磁铁组，其中，
所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5均竖直安装在所述底座2上；
所述压电片夹紧块3和所述磁铁固定块6分别安装在所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5上；
所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B7，所述磁铁A和磁铁B7上下布置在所述磁铁固定机座5上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座5上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片4的一端，所述压电片4的另一端固定安装在所述压电片夹紧块3上，所述磁铁B7安装在所述磁铁固定块6上，所述磁铁固定块6安装在所述磁铁固定机座5上，所述磁铁A和磁铁B7相对的一侧为异名磁极。上下的相吸磁铁会产生一个吸力，从而对悬臂梁的悬臂端施加了一个与运动方向相同的力，即等效为设置了一个负刚度的弹簧。从而，本发明的能量收集装置具有负刚度效应。这种负刚度效应会放大压电片4的振幅，即可以放大环境的微小振动，使得振动进入非线性阶段；并且由于是非线性振动系统，因此本发明可以在微弱振动的环境下依然可以得到较高的能量，提高了能量收集的效率。
进一步，所述竖向机座1由不锈钢制成。
进一步，所述竖向机座1上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块3上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块3上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块3固定在所述竖向机座1上。
进一步，所述磁铁固定机座5上竖直设置有长条孔，所述磁铁固定块6上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述磁铁固定块6上的螺栓孔后将所述磁铁固定块6固定在所述磁铁固定机座5上。磁铁固定机座5有两根竖向带缝的不锈钢柱，每个不锈钢柱上均设置有长条孔。所述的磁铁固定块6可以在磁铁固定机座5内任意地上下移动。并且竖向机座1以及磁铁固定机座5都有刻度尺贴在侧边，方便控制移动的变量。
进一步，所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5上分别竖直设置有刻度尺，目的在于控制调节竖向机座1和磁铁固定机座5的高度。
进一步，所述磁铁组还包括磁铁C，所述磁铁C、磁铁B7和磁铁A依次从下往上设置，并且磁铁C和磁铁B7相对的一侧为异名磁极。
进一步，所述压电片4是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来。两片压电膜结构尺寸和材料属性完全相同，通过强力胶水附着在铝片表面，压电膜尺寸与铝片尺寸相同。所述压电膜为PVDF(聚偏氟乙烯)材质，这种材料在发生形变的时候会向外传出电流，而当通电的时候也会发生形变。从上下的压电膜中各连出两根导线，进行串联，向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。
进一步，所述磁铁组为强磁铁组。
进一步，所述磁铁B7上下位置可调整地安装在所述磁铁固定机座5上。
本发明的竖向机座1上留有两条长条孔，目的在于是的压电片夹紧块3可以任意的上下移动，在底座2上打有四个孔是为了与振动物体连接而预备的，可以通过螺丝与螺母固定在相应的振动物体表面。
所述的压电片夹紧块3包括上下两块块体，当螺丝拧紧这两个块体之后便可以将压电片4夹紧。
所述的磁铁A、磁铁B7和磁铁C为强磁铁，可根据需求调节磁铁的质量以及磁场强度。
从图2中可以看出，细实线为线性振动能量收集装置在电容器上产生的电压，粗实线为本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置在电容器上产生的电压。分析此图要关注两点，一是电压的大小还有一点就是电压上升的频率宽度。首先，线性振动能量收集装置对电容里充上电的最大电压为700mV左右，而本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置对电容里充上电的最大电压为920mV左右。所以可以得到本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的电压大于线性振动能量收集装置的电压。其次，线性振动能量收集装置对电容充上电的时间范围为90s-320s，也就是230s的时间中电容上是有电的，相应的就是2.3Hz的频率宽度。对于本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置中，电容上有电的时间为150s-600s，也就是450s的时间，相对应的就是4.5Hz的频率宽度。频率宽度可以说明的是，本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置可以适用于更加广的频带，在更宽的频率范围内都可以提供出足够的电能。
从表1中可以看出，本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置所产生的总能量是要大于常规的线性振动能量收集装置的，提升了约0.8倍，同时功率上也是线性模型功率的约1.8倍。这可以看出，本发明的悬臂式负刚度振动能量收集装置的持续输出能力较强，可以在很宽的频带范围内进行能量的输出。这样的性质能够满足研究中的设计要求，不仅提高了能量的输出，提高了输出的功率，也扩大了有效工作频率范围。
表1本发明与常规线性振动能量收集装置能量功率对比表
| 能量 | 功率 | 工作频率范围 | 工作频率宽度 | |
| 负刚度 | 4.5×10-5J | 7.5×10-8W | 10.5Hz-15Hz | 4.5Hz |
| 线性 | 2.5×10-5J | 4.2×10-8W | 9.9Hz-12.2Hz | 2.3Hz |
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 (9)
1.一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组，其中，
所述竖向机座和所述磁铁固定机座均竖直安装在所述底座上；
所述压电片夹紧块和所述磁铁固定块分别安装在所述竖向机座和所述磁铁固定机座上；
所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在所述磁铁固定机座上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁固定机座上竖直设置有长条孔，所述磁铁固定块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述磁铁固定块上的螺栓孔后将所述磁铁固定块固定在所述磁铁固定机座上。
5.根据权利要求3或4所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座和所述磁铁固定机座上分别竖直设置有刻度尺。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁组还包括磁铁C，所述磁铁C、磁铁B和磁铁A依次从下往上设置，并且磁铁C和磁铁B相对的一侧为异名磁极。
7.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。
8.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁组为强磁铁组。
9.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁B上下位置可调整地安装在所述磁铁固定机座上。
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