CN110048642A - 一种任意方向非线性压电振动能量收集器 - Google Patents
一种任意方向非线性压电振动能量收集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110048642A CN110048642A CN201910441887.0A CN201910441887A CN110048642A CN 110048642 A CN110048642 A CN 110048642A CN 201910441887 A CN201910441887 A CN 201910441887A CN 110048642 A CN110048642 A CN 110048642A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration energy
- piezoelectric vibration
- magnet
- flexible beam
- energy collector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000009021 linear effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 6
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本发明涉及一种任意方向非线性压电振动能量收集器，包括依次相连的基座、多个由压电柔性梁、下连接部、旋转铰、支腿、旋转铰、上连接部和极性相反的磁铁对构成的支腿组件，以及作为惯性质量的上平台。所述磁铁对中，一部分磁铁固定在柔性梁末端，相对的另一部分磁铁固定在基座上。当多方向的线振动激励作用在基座上时，惯性质量能够在较宽的频带范围内产生大幅振动，引起压电柔性梁变形产生电能输出，从而实现多方向、宽频带的振动能量收集。本发明具有结构简单、非线性效果明显、调整容易等优点，提高了振动能量的收集效率和振动能量收集器的适用广度。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集装置，具体涉及非线性压电振动能量收集器。
背景技术
从环境能量中收集和获取能量，可以满足微电子器件和微传感器的长时间持续供电需求，在无线传感器网络、植入式人体健康检测系统、环境监测系统、军事安全应用系统、野外动物跟踪装置等使用和更换电池不方便的场合有着广阔的应用前景和市场需求。
现有的振动能量收集器大多是线性单自由度系统，存在带宽窄、方向选择性强的缺点。对于这些线性单自由度系统，只有其固有频率等于或接近激励频率，并且敏感轴向与激励方向一致的情况下才能产生最大振幅和最大功率的能量输出。然而，实际激励频率和方向往往难以准确估计或者常常随时间而变化，导致基于线性单自由度系统的振动能量收集器的输出效率降低。针对振动能量收集器的方向选择性问题，本申请人曾发明了“一种六维压电振动能量收集器”（专利号：ZL 201611247753.8），提出了采用多根柔性梁的并联结构实现六维压电振动能量收集器，能够获取多个方向的线振动和角振动能量并转换为电能输出，解决现有的振动能量收集器的方向选择性强的问题。然而，该装置仍然只能在较窄的频带范围内进行能量收集。此外，该发明中，多根柔性梁结构还不够合理，将起到能量收集作用的换能器设置在支腿中间，使用时存在刚度过大和过约束等问题，需要进一步优化。
发明内容
本发明的目的是提出一种任意方向非线性压电振动能量收集器，以解决多方向振动能量收集的带宽限制问题，并进一步提高振动能量的收集效率，从而实现多方向、宽频带的振动能量收集。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种任意方向非线性压电振动能量收集器，包括基座、作为惯性质量的上平台以及安装在基座与上平台之间的多个支腿组件。所述支腿组件绕上平台的中心轴等夹角均布。每个所述支腿组件均包括柔性梁、磁铁对、支腿和旋转连接件。所述支腿的上下两端分别通过旋转连接件连接上平台和柔性梁的一端。所述柔性梁的另一端固定在基座上，所述柔性梁的表面粘贴有能量转换元件。所述磁铁对中，一部分磁铁固定在柔性梁的一端，相对的另一部分磁铁固定在基座上，两部分磁铁极性相对，相互间产生斥力。
进一步，所述支腿组件数量为三，绕中心轴均布，支腿组件之间的夹角为120度。
进一步，各支腿组件的柔性梁连接为一体，或一体成型，中心固定在基座上。具体地，当支腿组件数量为三时，所述柔性梁连为人字型结构。
进一步，所述上下旋转连接件为球铰、轴承副、柔性铰。
进一步，所述能量转换元件为压电陶瓷换能器，粘贴在柔性梁的上表面和/或下表面，并焊接正负电极作为能量收集器的输出。
本发明基于上述结构，由于多个旋转副的存在，以及三根压电柔性梁的旋转变形，上平台相对下平台具有沿x、y、z三个方向的运动自由度。当基座受到振动激励时，上平台也会随之振动，二者的相对运动在接近机构的谐振频率时达到最大。而本发明结构中磁铁引入的磁场非线性又使得谐振的频带范围扩大，从而能在更宽的频带范围内产生大幅的相对振动。这种相对振动自然引起三根压电柔性梁的变形，从而在压电陶瓷换能器上产生电能输出。
本发明具有以下优点：
1、本发明所述非线性压电振动能量收集器在并联机构的基础上，利用了多对磁铁引入非线性，能够在较宽频率范围的多方向振动激励下产生谐振，并将其转换为电能输出，即能够同时实现多方向、宽频带振动能量收集。
2．本发明所述非线性压电振动能量收集器将起到能量收集作用的换能器从支腿中间移到了与基座相连的下端，结构设置更合理，易于加工和装配，并且使得磁铁对的磁距调整比较容易，提高了振动能量的收集效率和振动能量收集器的适用广度。
附图说明
图1为本发明中实施例一的结构示意图；
图2为本发明中采用的整体式压电柔性梁的结构示意图；
图3为本发明中采用的四个磁铁构成的磁铁对及压电柔性梁组件的结构示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示的非线性压电振动能量收集器，包括依次相连的基座10、三个由压电柔性梁8、下连接部6、球铰3、支腿4、上连接部2和极性相反的磁铁对7构成的支腿组件，以及作为惯性质量的上平台1。
本实施例中，三个支腿组件绕中心轴均布，相夹120度。
本实施例中，柔性梁8为长条形结构，一端固定在基座上，另一端（即末端）连接支腿4，其上表面和下表面粘贴有压电陶瓷换能器9，并焊接正负电极作为能量收集器的输出。
本实施例中，磁铁对7为两块磁铁，一块磁铁固定在柔性梁8的末端，另一块磁铁与之极性相对固定在基座10上。
本实施例中，在柔性梁8的末端固定下连接部6，作为连接支腿4的球铰支撑座。
本实施例中，支腿4为相互平行的两根圆柱连杆，其下端通过两个球铰3安装在下连接部6中，其上端采用同样的方式，通过另两个球铰3安装在上连接部2下方的球铰支撑座中。上连接部2安装在上平台1下部。
作为另外的设计，上平台1和上连接部2也可以设计为一个整体，或是改变上平台1的形状和质量以满足使用需要和改变三轴非线性压电振动能量收集器的工作频带区间。
进一步，为了便于加工和装配，三个支腿组件的柔性梁8也可以连为一体，设计为片状的人字形整体结构，如图2所示，该结构可以通过在一块薄基板上切割或压制得到。
进一步，可以将固定在基座上的一个磁铁替换为两个、三个（如图3所示）、或更多个磁铁，与固定在柔性梁的末端磁铁相吸或相斥，能够改变柔性梁2弯曲特性，提高三轴非线性压电振动能量收集器的非线性，进一步提高收集效率。
实施例二：
如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：将下部的一对球铰替换为三个轴承副。其中左右两个轴承副5的轴线平行且垂直于连杆4的轴向；中间轴承副5的定圈固定在下连接部6上，其轴线与左右两个轴承副5的轴线正交。
类似的，还可以将上部的球铰作类似的替换，而不影响三轴非线性压电振动能量收集器的功能。
可见，采用本发明技术，当多方向的线振动激励作用在基座上时，惯性质量能够在较宽的频带范围内产生大幅振动，引起压电柔性梁变形产生电能输出，从而实现多方向、宽频带的振动能量收集。本发明具有结构简单、非线性效果明显、调整容易等优点。
以上实施例，是以布置三组支腿组件为例，本领域普通技术人员应该知道，根据实际应用需要，也可以设计为布置更多的支腿组件，其结构和工作原理仍在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：包括基座（10）、作为惯性质量的上平台（1）以及安装在基座（10）与上平台（1）之间的多个支腿组件；所述支腿组件绕上平台的中心轴等夹角均布；每个所述支腿组件均包括柔性梁（8）、磁铁对（7）、支腿（4）和旋转连接件，所述支腿的上下两端分别通过旋转连接件连接上平台（1）和柔性梁（8）的一端；所述柔性梁（8）的另一端固定在基座（10）上，所述柔性梁（8）的表面粘贴有能量转换元件（9）；所述磁铁对（7）中，一部分磁铁固定在柔性梁（8）上，相对的另一部分磁铁固定在基座（10）上，两部分磁铁极性相对，相互间产生斥力。
2.根据权利要求1所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述支腿组件数量为三，绕中心轴均布，支腿组件之间的夹角为120度。
3.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：各支腿组件的柔性梁（8）连接为一体，或者一体成型，中心固定在基座（10）上。
4.根据权利要求3所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述柔性梁（8）为人字型结构。
5.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述能量转换元件（9）为压电陶瓷换能器，粘贴在柔性梁的上表面和/或下表面，并焊接正负电极作为能量收集器的输出。
6.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：固定在基座上的磁铁为N块，N大于等于1。
7.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述支腿（4）为两根平行连杆，两端分别与上、下旋转连接件连接。
8.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述旋转连接件为球铰、轴承副、柔性铰。
9.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述柔性梁（8）上面有下连接部（6），用于安装旋转连接件。
10.根据权利要求1或2所述的任意方向非线性压电振动能量收集器，其特征在于：所述上平台（1）底面有上连接部（2），用于安装旋转连接件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910441887.0A CN110048642B (zh) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | 一种任意方向非线性压电振动能量收集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910441887.0A CN110048642B (zh) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | 一种任意方向非线性压电振动能量收集器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110048642A true CN110048642A (zh) | 2019-07-23 |
| CN110048642B CN110048642B (zh) | 2020-11-03 |
Family
ID=67283485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910441887.0A Active CN110048642B (zh) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | 一种任意方向非线性压电振动能量收集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110048642B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110661445A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-07 | 重庆邮电大学 | 一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 |
| CN112636632A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 上海工程技术大学 | 一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器 |
| CN113992061A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-28 | 西安电子科技大学 | 一种压电和电磁混合式超低频振动能量收集装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104079206A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-10-01 | 西安交通大学 | 一种悬臂梁式非线性三稳态装置及其应用 |
| CN106877739A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-06-20 | 上海交通大学 | 多向磁拉式双稳态振动能量俘获器 |
| CN107317510A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-11-03 | 重庆大学 | 一种六维压电振动能量收集器 |
| CN109194086A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 大连理工大学 | 一种非线性磁机耦合的复合式俘能器 |
-
2019
- 2019-05-24 CN CN201910441887.0A patent/CN110048642B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104079206A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-10-01 | 西安交通大学 | 一种悬臂梁式非线性三稳态装置及其应用 |
| CN107317510A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-11-03 | 重庆大学 | 一种六维压电振动能量收集器 |
| CN106877739A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-06-20 | 上海交通大学 | 多向磁拉式双稳态振动能量俘获器 |
| CN109194086A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 大连理工大学 | 一种非线性磁机耦合的复合式俘能器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHIYONG ZHOU等: ""A broadband quad-stable energy harvester and its advantages over bi-stable harvester: Simulation and experiment verification"", 《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110661445A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-07 | 重庆邮电大学 | 一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 |
| CN112636632A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 上海工程技术大学 | 一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器 |
| CN112636632B (zh) * | 2020-12-21 | 2024-05-31 | 上海工程技术大学 | 一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器 |
| CN113992061A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-28 | 西安电子科技大学 | 一种压电和电磁混合式超低频振动能量收集装置 |
| CN113992061B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-07-28 | 西安电子科技大学 | 一种压电和电磁混合式超低频振动能量收集装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110048642B (zh) | 2020-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107707155B (zh) | 一种超宽带高能效压电振动能量收集装置 | |
| CN110048642A (zh) | 一种任意方向非线性压电振动能量收集器 | |
| CN203219211U (zh) | 一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器 | |
| CN111404419B (zh) | 双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器 | |
| CN211183831U (zh) | 一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置 | |
| CN103036478A (zh) | 带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器 | |
| CN107994808A (zh) | 交变屈曲式风力压电能量采集器 | |
| CN103023378A (zh) | 宽频带多方向振动能量采集器 | |
| CN206452318U (zh) | 基于压电振动的微型风能转换装置 | |
| CN110445417A (zh) | 一种低频宽频带震动俘能装置 | |
| CN203278697U (zh) | 一种宽频带多方向振动能量采集器 | |
| CN108347193A (zh) | 一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器 | |
| CN111669072B (zh) | 一种非线性宽频带压电—磁电复合式低幅振动俘能器 | |
| CN210693799U (zh) | 一种非线性压电式振动能量俘获结构 | |
| CN102751910B (zh) | 一种适于低频振动能量收集的上变频振动能量收集装置 | |
| CN114039510B (zh) | 多方向宽频压电能量收集装置 | |
| CN107317510B (zh) | 一种六维压电振动能量收集器 | |
| CN110474558B (zh) | 一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机 | |
| CN212055309U (zh) | 叶片平台、谐振风扇结构及谐振风扇 | |
| CN106856381B (zh) | 一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置 | |
| CN110086376B (zh) | 具有频率和位移放大作用的小型风能采集器 | |
| CN111092567A (zh) | 一种振动发电装置 | |
| CN110492787B (zh) | 一种均布应力压电简支梁振动能量收集器及能量收集方法 | |
| CN211481167U (zh) | 一种振动发电装置 | |
| CN205356188U (zh) | 一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式声能采集器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |