CN111049426A - 一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置,该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，底座由沿着空间直角坐标系X、Y轴方向分布的4根水平梁和沿Z轴方向的1根竖直梁组成；所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片、自由端都固定有永磁铁，并按照固有频率的高低依次排列，分别安装在4根水平梁的上表面和竖直梁的四个侧面，固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相邻面上都固定有另一对同名磁极面两两正对的永磁铁。本发明可以高效率的收集空间任意方向的、宽频带范围的振动能量，空间利用率高，实用性强。

Description

一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及振动能量收集领域，主要涉及一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置。

技术背景

在日常生活中，有很多系统或装置都会产生不同频率的振动，这些振动本身是带有能量的，并且这种振动能量具有较高的能量密度，具有一定的利用价值。然而，这些振动能量往往会被忽视和遗忘。为了能实现对周围环境中振动能量的收集，于是人们提出了各种压电式振动能量收集技术。

压电式振动能量收集技术利用了压电材料的正压电效应，即当对压电材料施以物理压力使其发生一定程度的形变时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷。为更好地在振动环境中应用这一效应，人们将压电材料与悬臂梁式结构结合，将压电材料粘贴在悬臂梁结构的夹持端根部附近，通过周围的振动环境引起悬臂梁产生共振效应，从而使夹持端根部附近的压电材料发生形变而产生电能，此时悬臂梁结构的夹持端根部应力最大，因此该位置的正压电效应最佳。

在此基础上，研究者设计了很多不同形式的压电悬臂梁振动能量收集装置。但是，目前的压电式悬臂梁振动能量收集装置大多只能收集单一方向上的振动能量，且能量收集效率有限。除此此外，大部分的压电悬臂梁振动能量收集装置的通频带较窄，只能收集小范围频域的振动能量。例如中国专利（公开号CN 110282593）公开了一种双向振动的压电能量收集装置，该装置在基体的水平方向和竖直方向上分布有压电材料，依靠基体水平方向上受力变形使压电材料变形产生电能，因此该装置只能收集单一方向上的振动能量，并且只有在外部激励的振动频率接近或等于该梁的固有频率时，才会引起该悬臂梁因共振发电；如中国专利（公开号CN 107317511 A）公开了一种易越过势垒的双稳态压电能量收集装置，该装置的悬臂梁一端固定在第一固定杆上且在自由端设有一块永磁铁，另一块永磁铁固定在第二固定杆上且两磁铁相互排斥，因此该装置只对沿竖直方向上的振动敏感，因此只能收集此方向上的振动能量，并且收集频域范围较窄，收集效率不高。

因此，设计一种高效率的压电式多方向、宽频带振动能量收集装置具有较大的研究及应用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，能够实现多方向、宽频域的振动能量的高效率收集。

为实现上述目的，本发明的通过以下技术方案来实现：

一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，沿X、Y方向分布的四根水平梁的上表面垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁（即固有频率不同的悬臂梁），沿Z方向的竖直梁的四个侧面均垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁，并与其他四根水平梁上的悬臂梁相对应，且每组悬臂梁按固有频率的高低从里向外依次排列。所有的悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁。固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与竖直梁上的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，该对磁铁的作用是实现水平梁与竖直梁的联动，安装在水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相对的面上相同高度位置处都固定有另一对永磁铁。这一对永磁铁的同名磁极面也是两两正对，其作用是实现水平梁间的相互联动。

进一步地，所述水平梁和竖直梁的截面形状皆为四边形，4根水平梁的横断面分别固定在竖直梁四个侧面，并且水平梁的下表面与竖直梁的下表面重合。

进一步地，所述每一组悬臂梁为三根，所述每组悬臂梁宽度厚度相同、长度不同，且皆垂直安装于构成底座的矩形梁上，并按固有频率高低沿轴心从里向外依次排列，且保证悬臂梁宽度方向垂直于与所在矩形梁的长度方向。

该装置的基本原理是利用周围的振动环境引起装置中的悬臂梁共振，悬臂梁因振动而发生形变，其粘贴在悬臂梁上的压电陶瓷片亦会发生形变，而压电陶瓷发生形变则会产生电能，通过导线将所产生的电能输出并收集，即完成了对振动能量的转换与收集。该装置在X、Y、Z三个方向上均固定有按悬臂梁的固有频率的大小依次排列的悬臂梁，并通过永磁铁实现安装在水平梁上相邻的悬臂梁相互联动，同时还利用永磁铁实现安装在水平梁上的悬臂梁与安装在竖直梁上的悬臂梁相互联动。当有任意方向上的、任一振动频率的振动能量作用在该装置上时，因各悬臂梁之间的联动，则至少会引起安装两个方向上的所有压电悬臂梁产生电能，因此大幅提高了能量收集效率。

本发明的优点是：该装置结构紧凑，空间利用率高，实用性强，可以高效的收集空间任意方向、频域较宽的振动能量。通过实现安装在水平梁上的不同固有频率的悬臂梁相互联动，不仅拓宽了装置对振动能量收集的频域范围，还提高了能量收集效率，同时，通过实现安装在水平梁上的悬臂梁与安装在竖直梁上的悬臂梁的相互联动，实现了收集多方向振动能量的目的，并进一步提高了装置的能量收集效率，尤其是大幅提高了竖直方向上振动能量的收集效率。此外，该装置将环境中的振动能量转换为电能，可以实现一些低功耗的元器件或设备长期供能，是一种无污染的清洁能源，具有一定的具有较大的研究及应用价值。

附图说明

图1为本发明的整体示意图;

图2为本发明底座的结构示意图;

图3为本发明某一水平梁与竖直梁所在平面上的结构示意简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷，S、N代表磁极方向）;

图4 为本发明竖直梁上的悬臂梁所受磁力作用简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷）;

图5为本发明水平梁上的悬臂梁所受磁力作用简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷）;

图6为本发明能量收集具体原理流程图;

图中，1-底座，1.1-水平梁，1.2-竖直梁，2-压电陶瓷片，3-永磁铁，4.1-水平梁上的悬臂梁，4.2-竖直梁上的悬臂梁。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明结构的实施方式：

如附图2所示，底座由4根水平梁1.1和1根竖直梁1.2组成，截面形状皆为四边形，沿X和Y轴方向各有两根水平梁1.1，沿Z轴方向有一根竖直梁1.2，4根水平梁的横断面分别固定在竖直梁的四个侧面上，并且水平梁1.1的下表面与竖直梁1.2的下表面重合。如附图1、3所示，在每根水平梁1.1的上表面都均匀垂直分布有长度不一的悬臂梁4.1，竖直梁1.2的四个侧面上都均匀垂直分布有长度不一的悬臂梁4.2，其分布规律依据悬臂梁固有频率的高低依次排列，且每个悬臂梁固定端根部附近均粘贴有压电陶瓷片2，自由端均固定有一块永磁铁3，水平梁上1.1的悬臂梁4.1自由端的永磁铁3与对应竖直梁1.2上固有频率相同的悬臂梁4.2自由端的永磁铁3的同名磁极面两两正对，固定在水平梁1.1上的每相邻的两个悬臂梁4.2间有一对磁铁3，此对磁铁也是同名磁极面两两正对。各悬臂梁所受磁力方向如附图4、5所示，此处只考虑磁极面正对的两磁铁间磁力作用。

结合附图1-2及附图6，本发明的振动能量原理具体如下：

1.在没有外部激励作用时，各悬臂梁在磁力、重力以及各悬臂梁因发生弹性形变而产生的弹力作用下处于平衡状态。当装置受到沿X或Y方向的某一频率的振动激励作用时，固定于X或Y方向上的水平梁1.1上固有频率接近或等于该振动频率的悬臂梁4.1就会产生共振，其自由端根部的压电陶瓷片2就会因此发生形变，从而产生电能。此时，因该悬臂梁4.1发生振动，导致与其同方向分布的、相邻的悬臂梁4.1上磁铁间的距离发生了变化，造成磁铁3间磁力的大小发生改变，因此同方向上相邻的悬臂梁4.1的平衡状态会被打破，导致相邻的悬臂梁4.1发生形变，最终引起同方向上所有的悬臂梁4.1上压电陶瓷片2均有电能输出，因此拓宽了该收集装置对振动能量采集的频域范围，并提高了能量收集效率。与此同时，各水平梁1.1上与竖直梁1.2上的悬臂梁间磁铁间距离的也会发生变化，从而引起其间磁力变化，因此处于竖直梁1.2上的悬臂梁4.2在X或Y方向的振动激励下亦会发生形变，最终增加了整个装置的电能输出，进一步提高了整个装置的能量收集效率。因此可以发现，当沿X或Y方向的任一振动频率的振动能量作用在该装置上时，会引起该方向上的所有压电悬臂梁产生电能，同时，还会引起安装在竖直梁上、与该方向有联动作用的压电悬臂梁产生电能，大幅提高了能量收集效率。

2.同理，当装置受到了沿Z方向上某一频率的振动激励作用时，固定于竖直梁1.2上固有频率接近或等于该振动频率的悬臂梁4.2就会产生共振，悬臂梁4.2因振动而产生变形，因变形而导致该悬臂梁上磁铁3与固定在水平梁1.1上相对应的悬臂梁4.1上的磁铁间距离发生改变，从而引起作用在悬臂梁上的磁力变化，破坏原有的平衡，最终引起水平梁1.1上对应的悬臂梁4.1联动，当水平梁1.1上对应的悬臂梁4.1因联动而发生变形后，则会引起水平梁1.1上其他位置的悬臂梁4.1发生联动，当水平梁1.1上其他位置的悬臂梁4.1因联动而发生变形后，会进一步引起竖直梁1.2上对应的悬臂梁4.2发生联动。因此沿Z方向上的某一频率的振动激励会引起整个装置上所有悬臂梁发生形变，导致该装置中所有压电陶瓷片2发生形变，大幅提高了能量收集效率。

综上所述，该能量收集装置通过因磁力变化而引起的联动作用可以收集空间任意方向、任一振动频率的振动能量，并有着很高的能量收集效率，且对沿Z轴方向的振动能量收集效果最佳。现结合一实例进一步阐述其能量收集过程。

航道警示灯对水上交通安全具有重要作用，目前大多的航道警示灯大多都是依靠传统的化学电池或太阳能电池供电，而传统的化学电池寿命有限不能实现永久供电，且废弃的化学电池对环境会有污染，太阳能电池虽说是一种清洁无污染的能源，但目前的太阳能发电效率有限，且受天气影响较大。

现若将压电式振动能量收集装置应用于航道警示灯上，取代目前的供能方式。该装置可以利用水面上时刻都存在的波浪作为振动源，而波浪的大小方向时刻都在发生变化，因此收集方向单一、收集频域范围窄的压电式振动能量收集装置就难以高效工作，不能提供警示灯足够的电能。若将本发明应用于航道警示灯上，因本发明不仅可以收集空间多方向、宽频域的振动能量，还有较高的能量收集效率，因此应该会是化学电池和太阳能电池的很好的替代品。

水面上的波浪总是起伏不断，而本发明在对竖直方向的振动能量收集效率最佳，因此保证本发明的X-Y平面平行于水面安装于航道警示灯内会有最佳的供电效果。当一阵波浪作用在航道警示灯上时，可视为一个外部振动激励作用在本发明上，该激励可以划分为水平面上沿X、Y轴的激励分量和沿Z轴的激励分量，即可视为一个多方向、任一频率的振动源作用在本发明上，结合附图6与上述本发明的振动能量收集原理，可以得出本发明理论上源源不断地可以为航道警示灯提供足够的电能，从而弥补目前航道警示灯功能装置的缺陷，具有一定的经济与社会价值。

Claims (3)

1.一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，其中沿X、Y方向分布的4根水平梁的上表面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，沿Z轴方向的竖直梁的四个侧面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，并且竖直梁上的悬臂梁的安装位置与其他四根水平梁上固有频率相同的悬臂梁安装位置相对应，所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁，安装在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁的同名磁极面两两正对，安装在水平梁上每相邻的两个悬臂梁相对的面上相同高度位置处都固定有另一对同名磁极面两两正对的永磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：所述水平梁和竖直梁的截面形状皆为四边形，4根水平梁的横断面分别固定在竖直梁四个侧面，并且水平梁的下表面与竖直梁的下表面重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：所述每一组悬臂梁为三根，所述每组悬臂梁宽度厚度相同、长度不同，且皆垂直安装于构成底座的矩形梁上，并按固有频率高低沿轴心从里向外依次排列，且保证悬臂梁宽度方向垂直于与所在矩形梁的长度方向。

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