CN109194086B - 一种非线性磁机耦合的复合式俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非线性磁机耦合的复合式俘能器,包括竖直设置的框架;框架内设有水平设置的双平行悬臂梁;双平行悬臂梁包括两个水平梁,靠近所述水平梁的固定端的所述水平梁上表面设有压电片,两个水平梁的自由端沿框架长度方向延伸且分别与一质量块的上下两端连接,双平行梁的自由端的上、下表面分别设有上动圆柱磁体和下动圆柱磁体;质量块的竖直方向的中心位置嵌有动磁块,与质量块水平相对的框架侧壁上设有至少两个静磁块。本发明采用双平行悬臂梁作为振动结构,利用静磁块和动磁块间的相互作用力,使得双平行悬臂梁在运动过程中具有双稳态特性,可以在大幅度振动过程中实现电磁俘能和压电俘能。

Description

一种非线性磁机耦合的复合式俘能器
技术领域
本发明属于非线性压电-电磁复合式俘能技术领域,具体涉及一种非线性磁机耦合的复合式俘能器。
背景技术
近些年,随着微电子和微加工技术的发展,大规模无线传感器网络、可移动电子设备、微机电系统(MEMS)等得到快速发展,被广泛应用于环境监测、军事国防、生物医疗、远程控制、抢险救灾以及工农业等诸多领域。现在,普遍的微电子产品使用传统的化学电池进行供电。然而由于化学电池体积大、重量重、使用寿命短、以及废旧电池带来的环境污染等问题极大的影响了微电子产品的广泛使用。
能量收集是将微电子器件工作环境中的自然能量,比如:声能、光能、热能、化学能、生物能、机械能等各种形式的能量收集起来,转化为电子器件可利用的电能,保证其正常工作。其中,振动能在日常生活和工程实际中广泛存在,不易受位置、天气等因素的影响,并且具有较高的能量密度。根据能量转换原理不同,振动俘能器可分为压电式、电磁式、静电式等类型。压电俘能器大多数是以单自由度线性系统为基础,其工作频带非常窄。电磁俘能器的输出电流大,但是输出电压小。。
发明内容
针对传统线性压电俘能结构存在的俘能带宽窄和俘能效率低的问题,本发明提供一种非线性磁机耦合的复合式俘能器,该结构不仅具有较大的工作带宽,同时还具有高的俘能效率。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
一种非线性磁机耦合的复合式俘能器,包括竖直设置的框架;
所述框架内设有水平设置的双平行悬臂梁;
所述双平行悬臂梁包括两个水平梁,两个所述水平梁的固定端分别与所述框架侧壁中部上下两侧连接(即两个所述水平梁关于经过所述框架侧壁中部的水平面对称),两个所述水平梁的自由端沿所述框架长度方向延伸且分别与一质量块的上下两端连接,所述质量块的高度等于两个所述水平梁的间距,两个所述水平梁的自由端远离所述质量块的一侧分别设有上动圆柱磁体和下动圆柱磁体;
所述框架上端内表面设有与所述上动圆柱磁体同轴的上静圆柱磁体,所述上静圆柱磁体外设有与所述框架上端内表面连接的上感应线圈;
所述框架下端内表面设有与所述下动圆柱磁体同轴的下静圆柱磁体,所述下静圆柱磁体外设有与所述框架下端内表面连接的下感应线圈;
所述下静圆柱磁体与所述上静圆柱磁体关于所述双平行悬臂梁对称。
与所述质量块相对的所述框架侧壁上设有至少两个沿竖直方向均匀分布的静磁块安装槽,所述静磁块安装槽内设有静磁块,相邻两个所述静磁块的水平对称面上设有一个动磁块(即相邻两个所述静磁块与所对应的所述动磁块的竖直距离分别相等),所述动磁块位于所述质量块的远离所述水平梁的固定端一侧的动磁块安装槽内;
靠近所述水平梁的固定端的所述水平梁上表面设有压电片。
所述静磁块与所述动磁块的磁化方向相反。
所述水平梁为弹性梁。所述水平梁的材质为金属材料。
两个所述水平梁的自由端通过所述质量块刚性连接,在所述双平行悬臂梁运动过程中,两个所述水平梁的自由端角度始终保持不变,能够进行平动。
所述动磁块和所述静磁块为永磁体。
所述上感应线圈与所述上静圆柱磁体同轴,所述上感应线圈的半径分别大于所述上静圆柱磁体和所述上动圆柱磁体的半径;
所述下感应线圈与所述下静圆柱磁体同轴,所述下感应线圈的半径分别大于所述下静圆柱磁体和所述下动圆柱磁体的半径。
所述压电片和所述水平梁的截面均为矩形且宽度相等;
所述压电片长度小于所述水平梁的长度;
所述压电片为压电陶瓷、压电纤维复合材料或压电薄膜;
所述压电片与所述水平梁粘结;
两个所述压电片并联或串联。
所述双平行悬臂梁的上止点低于所述上感应线圈,所述双平行悬臂梁的下止点高于所述下感应线圈,以避免所述双平行悬臂梁在大的位移振动时与所述上感应线圈和所述下感应线圈产生接触碰撞。
所述静磁块安装槽位于所述框架侧壁内凸起上。
所述静磁块与所述动磁块的中心水平距离为8-11mm;
相邻两个所述静磁块的中心竖直距离为5-15mm。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:采用双平行悬臂梁作为振动结构,由于其具有的末端平动特性,可以在大幅度振动过程中用于电磁俘能。利用静磁块和动磁块间的相互作用力,使得双平行悬臂梁在运动过程中具有双稳态特性,在一定的激励幅值作用下,在(n-m)Hz范围内的频带可以进行大幅度的阱间运动,在小于n的频带内可进行混沌运动,相比传统的俘能结构,俘能器位移响应均方根值增大,俘能器的俘能效率明显提高。
基于上述理由本发明可在非线性压电-电磁复合式俘能技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中一种非线性磁机耦合的复合式俘能器的空间结构示意图。
图2是本发明的具体实施方式中一种非线性磁机耦合的复合式俘能器的主视图(去掉上感应线圈和下感应线圈)。
图3是本发明的具体实施方式中仿真中的一种非线性磁机耦合的复合式俘能器在低于共振点处,激励频率为1Hz时的瞬态时域响应图。
图4是本发明的具体实施方式中仿真中的一种非线性磁机耦合的复合式俘能器能量俘获效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示,一种非线性磁机耦合的复合式俘能器,包括竖直设置的框架12;
所述框架12内设有水平设置的双平行悬臂梁;
所述双平行悬臂梁包括两个水平梁1,两个所述水平梁1的固定端分别与所述框架12侧壁中部上下两侧连接,两个所述水平梁1的自由端沿所述框架12长度方向延伸且分别与一质量块3的上下两端连接,两个所述水平梁1的自由端远离所述质量块3的一侧分别设有上动圆柱磁体10和下动圆柱磁体11;
所述框架12上端内表面设有与所述上动圆柱磁体10同轴的上静圆柱磁体8,所述上静圆柱磁体8外设有与所述框架12上端内表面连接的上感应线圈6;
所述框架12下端内表面设有与所述下动圆柱磁体11同轴的下静圆柱磁体9,所述下静圆柱磁体9外设有与所述框架12下端内表面连接的下感应线圈7;
与所述质量块3相对的所述框架12侧壁上设有两个沿竖直方向均匀分布的静磁块安装槽,两个静磁块安装槽的水平对称面经过所述框架12侧壁中部,所述静磁块安装槽内设有静磁块5,相邻两个所述静磁块5的水平对称面上设有一个动磁块4,所述动磁块4位于所述质量块3的远离所述水平梁的固定端一侧的动磁块安装槽内;
靠近所述水平梁1的固定端的所述水平梁1上表面设有压电片2。
所述静磁块5与所述动磁块4的磁化方向相反。
所述水平梁1为弹性梁。
所述动磁块4和所述静磁块5为永磁体。
所述上感应线圈6与所述上静圆柱磁体8同轴,所述上感应线圈6的半径分别大于所述上静圆柱磁体8和所述上动圆柱磁体10的半径;
所述下感应线圈7与所述下静圆柱磁体9同轴,所述下感应线圈7的半径分别大于所述下静圆柱磁体9和所述下动圆柱磁体11的半径。
所述压电片2和所述水平梁1的截面均为矩形且宽度相等;
所述压电片2长度小于所述水平梁1的长度;
所述压电片2为压电陶瓷、压电纤维复合材料或压电薄膜;
所述压电片2与所述水平梁1粘结;
两个所述压电片2并联或串联。
所述双平行悬臂梁的上止点低于所述上感应线圈6,所述双平行悬臂梁的下止点高于所述下感应线圈7,以避免所述双平行悬臂梁在大的位移振动时与所述上感应线圈6和所述下感应线圈7产生接触碰撞。
所述静磁块安装槽位于所述框架12侧壁内凸起上。
所述静磁块5与所述动磁块4的中心水平距离为8-11mm;
相邻两个所述静磁块5的中心竖直距离为5-15mm。
所述非线性磁机耦合的复合式俘能器的工作原理如下:
整体结构在受到外界激励作用下竖直方向振动,双平行悬臂梁自由端会产生大的位移响应,由于双平行悬臂梁具有的结构特性,振动时,水平梁1的自由端无转角偏转,上动圆柱磁体10和下动圆柱磁体11会随之一起运动,上动圆柱磁体10和下动圆柱磁体11运动过程中磁场强度不断改变,所对应的上感应线圈6和下感应线圈7中产生感应电动势,从而进行电磁俘能。为抵消一部分电磁阻尼,以及增大双平行悬臂梁自由端的位移响应,在上动圆柱磁体10的正上方和下动圆柱磁体11的正下方,布置有体积较小的上静圆柱磁体8和下静圆柱磁体9,上静圆柱磁体8和下静圆柱磁体9与上动圆柱磁体10和下动圆柱磁体11间的相互作用力为吸引力。双平行悬臂梁在运动过程中,动磁块4受到的静磁块5的作用力会作用在双平行悬臂梁上,由于磁力的作用,双平行悬臂梁的振动行为变为非线性振动,具有双稳态特性。在外部激励作用下,这种双稳态结构会产生三种运动行为:跨势阱的大幅阱间运动、混沌运动以及阱内运动,如图3所示为混沌运动,即在运动过程中既包括阱间大幅运动也包括势阱内的小幅运动。静磁块5和动磁块4的中心水平距离Dx以及中心竖直距离Dy会影响双稳态特性,通过优化参数Dx和Dy值以及动磁块4和静磁块5个数,可以拓宽混沌运动区间和阱间运动区间,使得所述非线性磁机耦合的复合式俘能器可以工作在更宽的带宽范围内,并提高俘能效率。如图4所示,在外界简谐激励作用下,所述非线性磁机耦合的复合式俘能器的平均输出功率与激励频率的关系,对比传统俘能器,在低带宽范围内有大的功率输出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可做出若干简单推演或替换,如改变双平行悬臂梁的尺寸参数,改变结构的位置参数,改变磁块个数,改变压电片排布方式等,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:包括竖直设置的框架(12);
所述框架(12)内设有水平设置的双平行悬臂梁;
所述双平行悬臂梁包括两个水平梁(1),两个所述水平梁(1)的固定端分别与所述框架(12)侧壁中部上下两侧连接,两个所述水平梁(1)的自由端沿所述框架(12)长度方向延伸且分别与一质量块(3)的上下两端连接,两个所述水平梁(1)的自由端远离所述质量块(3)的一侧分别设有上动圆柱磁体(10)和下动圆柱磁体(11);
所述框架(12)上端内表面设有与所述上动圆柱磁体(10)同轴的上静圆柱磁体(8),所述上静圆柱磁体(8)外设有与所述框架(12)上端内表面连接的上感应线圈(6);
所述框架(12)下端内表面设有与所述下动圆柱磁体(11)同轴的下静圆柱磁体(9),所述下静圆柱磁体(9)外设有与所述框架(12)下端内表面连接的下感应线圈(7);
与所述质量块(3)相对的所述框架(12)侧壁上设有至少两个沿竖直方向均匀分布的静磁块安装槽,所述静磁块安装槽内设有静磁块(5),相邻两个所述静磁块(5)的水平对称面上设有一个动磁块(4),所述动磁块(4)位于所述质量块(3)的远离所述水平梁的固定端一侧的动磁块安装槽内;
靠近所述水平梁(1)的固定端的所述水平梁(1)上表面设有压电片(2)。
2.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述静磁块(5)与所述动磁块(4)的磁化方向相反。
3.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述水平梁(1)为弹性梁。
4.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述动磁块(4)和所述静磁块(5)为永磁体。
5.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述上感应线圈(6)与所述上静圆柱磁体(8)同轴,所述上感应线圈(6)的半径分别大于所述上静圆柱磁体(8)和所述上动圆柱磁体(10)的半径;
所述下感应线圈(7)与所述下静圆柱磁体(9)同轴,所述下感应线圈(7)的半径分别大于所述下静圆柱磁体(9)和所述下动圆柱磁体(11)的半径。
6.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述压电片(2)和所述水平梁(1)的截面均为矩形且宽度相等;
所述压电片(2)长度小于所述水平梁(1)的长度;
所述压电片(2)为压电陶瓷、压电纤维复合材料或压电薄膜;
所述压电片(2)与所述水平梁(1)粘结;
两个所述压电片(2)并联或串联。
7.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述双平行悬臂梁的上止点低于所述上感应线圈(6),所述双平行悬臂梁的下止点高于所述下感应线圈(7),以避免所述双平行悬臂梁在大的位移振动时与所述上感应线圈(6)和所述下感应线圈(7)产生接触碰撞。
8.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述静磁块安装槽位于所述框架(12)侧壁内凸起上。
9.根据权利要求1所述的非线性磁机耦合的复合式俘能器,其特征在于:所述静磁块(5)与所述动磁块(4)的中心水平距离为8-11mm;
相邻两个所述静磁块(5)的中心竖直距离为5-15mm。
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