CN108471258A - 一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置。其包括振动结构、外框架、紧固件、上悬臂梁、上压电材料块、质量块、上悬臂梁磁铁块、下悬臂梁、下压电材料块、下悬臂梁磁铁块；本发明效果：以双悬臂梁为基础能量收集结构，与其他方法相比，结构设置及设计简单，易于制作及维护。设置两个悬臂梁进行能量收集，可以通过上悬臂梁附加质量块使二者的共振频率不同,从而达到多共振频带的有益效果。以磁铁耦合引入非线性力，与同尺寸无磁铁悬臂梁相比，大大提高了能量收集效率与带宽，且可使两个悬臂梁的拓宽频带有重合,以增大输出适应更复杂的工况。
Description
技术领域
本发明属于能量转化与收集技术领域，特别是涉及一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置。
背景技术
为了实现信息的收集与人机交互，通常将小型化计算设备融入日常的物体中，形成物联网。而无线传感器网络则具有关键作用，该技术与传统的传感器技术相比，具有无需布线、组网自由的特点。而无线传感器的供电问题一直没有得到根本的解决，随着功耗的不断下降，利用环境中的能量为无线传感器供能的方案变得可行。
在我们的生活环境中存在着大量的、各种类型的机械能，例如风动、身体运动、肌肉拉伸、声波、超声波、噪声、机械振动等。利用振动能量收集技术将振动能量转换成电能已经成为该研究领域的重点之一，也是各种技术中实用性较强的一种。利用振动能量为低功耗器件供电，在解决能量问题的同时，可以减小结构振动对于周围环境的影响、降低对结构的振动损伤、延长结构寿命、降低结构的维护维修成本。振动能量收集技术利用机电耦合转换机理将机械能转换为电能，并通过机械结构，将环境中的振动源最大程度地转化为电能进行输出。
目前，振动能量获取技术按照工作原理主要分为四种，分别是磁电式、静电式、压电式、磁致伸缩式。其中，压电式功率密度高、机电转换效率高、无需其他能源支持、便于小型化，因此近几年受到的关注最多。
振动微能量收集装置的主要原理是将压电材料块附着于采集结构中，采集结构与主体结构达到共振状态时振动幅度最大，可以采集到最多的能量。目前有多种采集器的形式，主要有膜式、钹式、悬臂梁式等。悬臂梁式结构由于结构简单、刚度低，实际环境中易实现，可在较低的振动频率下获得较大的输出功率，而获得了很多的关注。大多数压电能量收集器采用了一层或两层的压电陶瓷层(即单晶或双晶)的悬臂梁形式。而传统悬臂梁式压电能量获取装置的频带很窄，这直接限制了收集器的转换效率，这些问题限制了压电式振动能量收集技术的应用。有一种较为常用的解决方式是用阵列式结构，使用多个悬臂梁获得多个共振频率，但是该方法的共振频率依然是离散的，难以获得较高的能量转化效率，实用性不强。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，用于解决现有技术中悬臂梁式压电振动能量收集装置的窄频带问题，并提高其能量收集效率，以提供一种宽频带、稳定、高效的供电技术。
为了达到上述目的，本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置包括：振动结构、外框架、紧固件、上悬臂梁、上压电材料块、质量块、上悬臂梁磁铁块、下悬臂梁、下压电材料块、下悬臂梁磁铁块；其中振动结构用于提供能量收集所需的振动；外框架是由非铁磁性金属制成的长方体形结构，底面通过紧固件固定在振动结构的表面；上悬臂梁与下悬臂梁由非铁磁性金属制成，一端作为固定端以平行的方式分别连接在外框架的一侧面上下部，另一端为自由端；上压电材料块及下压电材料块分别设置在上悬臂梁及下悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，并与外部的能量采集电路相连接；质量块和上悬臂梁磁铁块分别设置在上悬臂梁的顶面和底面上靠近自由端的部位；下悬臂梁磁铁块则设置在下悬臂梁顶面上位于上悬臂梁磁铁块正下方的部位。
所述的外框架采用包括铜在内的密度较大的非铁磁性金属材料制成，厚度大于10mm。
所述的紧固件采用螺栓。
所述的上悬臂梁及下悬臂梁采用铝合金，且参数相同。
所述的上压电材料块及下压电材料块采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料和聚偏氟乙烯中的任一种，且参数相同。
所述的质量块采用铝合金或亚克力。
所述的上悬臂梁磁铁块与下悬臂梁磁铁块均采用钕铁硼磁铁制成，呈圆柱形，结构相同。
所述的上压电材料块、质量块和上悬臂梁磁铁块与上悬臂梁之间、下悬臂梁磁铁块、下压电材料块与下悬臂梁之间均采用环氧树脂胶相互连接。
所述的上悬臂梁磁铁块与下悬臂梁磁铁块之间的距离在20mm以内。
本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置具有以下有益效果：
(1)本发明以双悬臂梁为基础能量收集结构，与其他方法相比，结构设置及设计简单，易于制作及维护。
(2)本发明设置两个悬臂梁进行能量收集，可以通过上悬臂梁附加质量块使二者的共振频率不同,从而达到多共振频带的有益效果。
(3)本发明以磁铁耦合引入非线性力，与同尺寸无磁铁悬臂梁相比，大大提高了能量收集效率与带宽，且可使两个悬臂梁的拓宽频带有重合,以增大输出适应更复杂的工况。
附图说明
图1是本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置结构示意图；
图2是本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置与单独悬臂梁结构在不同频率下的输出功率曲线对比图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功能。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了使本领域技术人员能够更好地理解本发明中的技术方案，这里对下面将要涉及的技术予以解释说明。
如图1所示，本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置包括：振动结构1、外框架2、紧固件3、上悬臂梁4、上压电材料块5、质量块6、上悬臂梁磁铁块7、下悬臂梁8、下压电材料块9、下悬臂梁磁铁块10；其中振动结构1用于提供能量收集所需的振动，可为任意需要进行振动能量收集的部件提供振动；外框架2是由非铁磁性金属制成的长方体形结构，为避免与上悬臂梁磁铁块7及下悬臂梁磁铁块10产生磁性力，底面通过紧固件3固定在振动结构1的表面；上悬臂梁4与下悬臂梁8由非铁磁性金属制成，为避免与上悬臂梁磁铁块7及下悬臂梁磁铁块10产生磁性力，一端作为固定端以平行的方式分别连接在外框架2的一侧面上下部，另一端为自由端；上压电材料块5及下压电材料块9分别设置在上悬臂梁4及下悬臂梁8顶面上靠近固定端的部位，并与外部的能量采集电路相连接；质量块6和上悬臂梁磁铁块7分别设置在上悬臂梁4的顶面和底面上靠近自由端的部位；下悬臂梁磁铁块10则设置在下悬臂梁8顶面上位于上悬臂梁磁铁块7正下方的部位。
所述的外框架2采用包括铜在内的密度较大的非铁磁性金属材料制成，厚度大于10mm，不宜过薄。
所述的紧固件3采用螺栓。
所述的上悬臂梁4及下悬臂梁8采用铝合金，且参数相同。
所述的上压电材料块5及下压电材料块9采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料和聚偏氟乙烯中的任一种，且参数相同，优选粗压电纤维复合材料，因其能量收集效率高、可弯折、寿命长。
所述的质量块6采用铝合金或亚克力。
所述的上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10均采用钕铁硼磁铁制成，呈圆柱形，结构相同。利用两者极性相同而呈相斥状态来防止上悬臂梁4的自由端与下悬臂梁8的自由端相贴合而无法自动分开问题。
所述的上压电材料块5、质量块6和上悬臂梁磁铁块7与上悬臂梁4之间、下悬臂梁磁铁块10、下压电材料块9与下悬臂梁8之间均采用环氧树脂胶相互连接。
所述的上悬臂梁4、质量块6、上悬臂梁磁铁块7、下悬臂梁8、下悬臂梁磁铁块10的相关参数可由振动结构1提供的振动频率进行设计，例如ω1和ω2是其振动能量较为集中的频率，且ω1＜ω2：
其中，E为上悬臂梁4与下悬臂梁8材料的杨氏模量，l为上悬臂梁4与下悬臂梁8长度，b为上悬臂梁4与下悬臂梁8宽度，h为上悬臂梁4与下悬臂梁8高度，ρ为上悬臂梁4与下悬臂梁8材料的密度，Mt为质量块6的质量，Mm为上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10的质量。
所述的上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10距离不宜过远，距离过远将使磁力过小，优选在20mm以内，以免失去发明所述有益效果。磁力大小可以下列公式进行估算，以用于设计磁铁距离及尺寸：
其中，Br是上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10的剩余磁通密度，Am是上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10之间的公共区域，k是上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10的长度，r是上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10的半径，d是上悬臂梁磁铁块7与下悬臂梁磁铁块10之间的距离，μair是空气的磁导率。
现将本发明提供的磁铁耦合式宽频带压电振动能量收集装置工作原理阐述如下：
利用作为振动源的振动结构1产生振动，由此通过外框架2带动其他部件也一同进行振动，在此过程中，上悬臂梁4、上压电材料块5、下悬臂梁8及下压电材料块9将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量采集电路将其转换成诸如无线传感器等供电设备需要的形式，以实现为无线传感器供给能量。同时利用质量块6来降低上悬臂梁4的共振频率，使得上悬臂梁4与下悬臂梁8的共振频率不同，获得多共振频带的有益效果。上悬臂梁磁铁块7和下悬臂梁磁铁块10间将产生磁性力，因为磁铁之间相互作用力与距离相关，在振动的同时，距离将会发生改变，相当于引入了非线性磁性力，可在工作过程中非线性地改变系统等效刚度，从而达到拓宽系统频带、提高系统的能量收集效率的有益效果。
图2所示为一个磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置应用实例相关数据图，以说明本方法的有益效果。
该实例中振动结构1提供的激励能量集中处大约在15.3和19.2Hz，外框架2选用黄铜、厚度为10mm，紧固件3选用M5螺栓、上悬臂梁4与下悬臂梁8选用T6061铝合金、尺寸为150*40*0.8mm，上压电材料块5与下压电材料块9选用MFC-M8514-P2材料，质量块6选用亚克力材料、质量5.8g，上悬臂梁磁铁块7、下悬臂梁磁铁块10选用表面磁通量1200高斯的汝铁硼磁铁，质量4.2g，间距15mm，选用3M公司DP460环氧树脂胶作为贴合剂。
从图2中可以看到，经过扫频后，在激励能量集中处，磁铁耦合上悬臂梁可以得到635μW的能量，比单一上悬臂梁的437μW要提高45.3％；磁铁耦合下悬臂梁可以得到746μW的能量，比单一下悬臂梁的521μW要提高43.2％；磁铁耦合式可利用频带大约在14-20Hz，大于单一悬臂梁式的15-16Hz、18-20Hz，增宽了100％，获得了上述所述的本发明有益效果。
上述说明仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置包括：振动结构(1)、外框架(2)、紧固件(3)、上悬臂梁(4)、上压电材料块(5)、质量块(6)、上悬臂梁磁铁块(7)、下悬臂梁(8)、下压电材料块(9)、下悬臂梁磁铁块(10)；其中振动结构(1)用于提供能量收集所需的振动；外框架(2)是由非铁磁性金属制成的长方体形结构，底面通过紧固件(3)固定在振动结构(1)的表面；上悬臂梁(4)与下悬臂梁(8)由非铁磁性金属制成，一端作为固定端以平行的方式分别连接在外框架(2)的一侧面上下部，另一端为自由端；上压电材料块(5)及下压电材料块(9)分别设置在上悬臂梁(4)及下悬臂梁(8)顶面上靠近固定端的部位，并与外部的能量采集电路相连接；质量块(6)和上悬臂梁磁铁块(7)分别设置在上悬臂梁(4)的顶面和底面上靠近自由端的部位；下悬臂梁磁铁块(10)则设置在下悬臂梁(8)顶面上位于上悬臂梁磁铁块(7)正下方的部位。
2.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的外框架(2)采用包括铜在内的密度较大的非铁磁性金属材料制成，厚度大于10mm。
3.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的紧固件(3)采用螺栓。
4.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的上悬臂梁(4)及下悬臂梁(8)采用铝合金，且参数相同。
5.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的上压电材料块(5)及下压电材料块(9)采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料和聚偏氟乙烯中的任一种，且参数相同。
6.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的质量块(6)采用铝合金或亚克力。
7.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的上悬臂梁磁铁块(7)与下悬臂梁磁铁块(10)均采用钕铁硼磁铁制成，呈圆柱形，结构相同。
8.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的上压电材料块(5)、质量块(6)和上悬臂梁磁铁块(7)与上悬臂梁(4)之间、下悬臂梁磁铁块(10)、下压电材料块(9)与下悬臂梁(8)之间均采用环氧树脂胶相互连接。
9.根据权利要求1所述的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，其特征在于：所述的上悬臂梁磁铁块(7)与下悬臂梁磁铁块(10)之间的距离在20mm以内。
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