CN111371277B - 一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，包括外框，电磁能量收集单元和复合梁；所述电磁能量收集单元包括线圈、磁铁振子；所述复合梁包括子悬臂梁、锥形空腔梁、连接件、锥形空腔压电片和子悬臂梁压电片；所述锥形空腔梁的短端固定于外框，长端通过连接件连接子悬臂梁的一端，所述子悬臂梁的另一端固定磁铁振子，所述锥形空腔梁上设有锥形空腔压电片，子悬臂梁设有子悬臂梁压电片，所述线圈与磁铁振子同心，设在外框上。本发明将两个谐振频率不同但接近梁通过连接件耦合，增加带宽，通过锥形空腔梁的设计，提高压电电压的输出，同时使用磁铁振子匹配目标系统的固有频率，提高采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，属于压电电磁复合能量收集的技术领域。
背景技术
传统的供电方式主要为化学电池，这种供电方式存在以下突出问题：首先相对于电子设备，电池供电寿命有限，需要人为阶段性换电池或者充电。其次对于一些特殊环境下，例如无人区、密闭环境的设备来说，电池更换成本太高或者更换困难。最后废弃电池对于环境的污染严重，旧电池的回收处理也存在巨大的挑战。
近年来随着微型电子设备的发展，低能耗的芯片和传感器出现使得利用周围环境能量的无源供电成为了可能。振动能量具有广泛性、稳定性且能量密度较高特点，非常适合为无线传感器提供能量。为了解决电池的寿命问题，目前国内外提出了多种形式的能量收集器代替化学电池。常见的有太阳能电池、温差电池以及振动能量收集器。相比较于太阳能电池和温差电池对环境中光、温度有较高的要求，振动能量收集器的应用领域和范围更加广泛。
振动能量收集器通过某种或者多种换能原理将振动能转换为电能。其中最常见的有基于压电效应的压电换能、基于电磁感应的电磁换能和基于电容原理的静电换能。压电换能具有结构简单、输出电压于功率密度高等优点，但是存在压电内阻较大输出电流小，压电材料容易出现断裂破碎缺点。电磁换能具有输出电流大、内阻低的优点，但是存在输出电压低的缺点。相对于前两种换能器，静电换能需要额外的电源或者电荷源，因而无法实现无源供电。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，对环境中的振动能进行收集，目的在于拓展工作带宽，提高机电转换效率和压电的输出电压。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，包括外框，电磁能量收集单元和复合梁；
所述电磁能量收集单元包括线圈、磁铁振子；
所述复合梁包括子悬臂梁、锥形空腔梁、连接件、锥形空腔压电片和子悬臂梁压电片；
所述锥形空腔梁的短端固定于外框，长端通过连接件连接子悬臂梁的一端，所述子悬臂梁的另一端固定磁铁振子，所述锥形空腔梁上设有锥形空腔压电片，子悬臂梁设有子悬臂梁压电片，组成多个压电收集单元，所述线圈设在外框上。
进一步的，所述子悬臂梁压电片和锥形空腔压电片表面分布有焊盘，通过引线与外接储能负载相连。
进一步的，所述子悬臂梁、锥形空腔梁与连接件之间通过螺栓或胶粘方式固定连接。
进一步的，所述外框为长方形框，固定电极引线和储能电路，同时作为锥形空腔梁振动的止动器，防止过大振幅对压电材料断裂破坏
进一步的，所述磁铁振子上下对称固定在子悬臂梁能够活动的一端。
优选的，所述磁铁振子选用铷硼磁铁，外形为圆柱体，其作用是减低并匹配目标系统的固有频率，并为线圈提供磁场。
进一步的，所述线圈位于磁铁振子上下，固定于外框，并与磁铁振子同心。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
通过锥形空腔梁的设计，提高压电电压的输出；线圈与磁铁组成电磁能量收集单元，在有限的空间内提高机电耦合系数，增加系统的输出功率；使用磁铁振子匹配目标系统的固有频率，提高采集效率。
附图说明
图1是本发明实施例一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器无外框结构示意图；
图2是本发明实施例一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器的整体结构示意图；
图3是本发明实施例一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器中连接件的局部放大示意图；
图4是本发明实施例一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器中并联同步开关电路方案示意图。
图中：1、第一线圈；2、第一磁铁振子；3、第二磁铁振子；4、第二线圈；5、第一子悬臂梁压电片；6、子悬臂梁；7、锥形空腔梁；8、第一锥形空腔压电片；9、第二锥形空腔压电片；10、第三锥形空腔压电片；11、第四锥形空腔压电片；12、连接件；13、第二子悬臂梁压电片；14、外框。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1、2所示，为本发明可选的一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器结构示意图，本发明实施例一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器包括外框14、子悬臂梁6、锥形空腔梁7，第一锥形空腔压电片8、第二锥形空腔压电片9、第三锥形空腔压电片10、第四锥形空腔压电片11、第一子悬臂梁压电片5、第二子悬臂梁压电片13、第一磁铁振子2、第二磁铁振子3、磁铁上下方的第一线圈1、第二线圈4。
所述锥腔悬臂梁并由两段组成，一段为锥形空腔梁7，另一段为子悬臂梁6，两者之间通过连接件12连接。所述锥腔悬臂梁7水平固定在外框14上。第一锥形空腔压电片8、第二锥形空腔压电片9、第三锥形空腔压电片10、第四锥形空腔压电片11粘贴在锥形空腔梁7的锥形腔内外面；第一子悬臂梁压电片5和第二子悬臂梁压电片13，固定在子悬臂梁6的上下面。两个磁铁振子分别固定在子悬臂梁6自由端的上下面，第一线圈1和第二线圈4分别固定在的外框14上，并与磁铁振子保持同心。磁铁振子随着子悬臂梁6的运动与固定线圈组成多个电磁能量收集单元。
本发明锥形空腔梁7的锥形腔体结构有靠近的前两阶固有频率，获得相对较大的工作带宽。所述压电片均布有焊盘，通过导电银胶贴在子悬臂梁6和锥形空腔梁7上，借助引线与外接储能负载相连接。所述子悬臂梁6和锥形空腔梁7通过连接件12组成复合梁。
如图3所示为本发明实施例连接件12的局部放大示意图，梁与连接件12之间通过螺栓或者胶粘的方式固定连接，所述锥形空腔梁7的作用是提高压电电压的输出，所述悬臂梁6的作用是使系统前两阶模态接近。
所述锥形空腔梁7和子悬臂梁6通过粘贴压电片组成多个压电收集单元。所述压电片的作用是通过压电效应产生电荷，并借助焊盘导线将电荷收集。所述铜线圈1、4对称分布在磁铁上下两侧，线圈末端引出导线与转换电路相连，线圈与磁铁组成两个电磁能量收集单元。所述压电单元、电磁单元可以单独工作，也可以将部分或者全部单元串联或者并联在一起工作。当负载需要高电压时，可以将部分能量收集器单元串联连接提高电压。当负载需要高电流时，可以将部分能量收集器单元并联连接提高电流。
所述外框14为长方形框，起到锥形空腔梁7振动止动器的作用，防止过大振幅对压电材料造成破坏，同时还起到固定电极引线和储能电路的作用。 所述第一磁铁振子2，第二磁铁振子3优选铷硼磁铁，磁铁振子作为悬臂梁末端重物可以减低并匹配目标系统的固有频率，同时为振动线圈提供磁场，产生感应电动势。
在施加振动激励下，带有压电片的子悬臂梁6和锥形空腔梁7产生横向振动并往复地挤压或拉伸压电材料，压电材料在外力作用下产生了电荷并在表面积累，实现了振动能到电能的转换。同样激励驱动线圈运动，根据法拉第电磁定律，线圈回路的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。同时系统的输出功率与外界负载有关，当外界负载与相对应的内阻匹配时，输出功率最大；当系统工作在谐振频率时，梁的振幅最大、能量收集器的效率最高，当系统振幅增大到临界值时，磁铁振子末端碰到外框14限制振幅。
能量转换电路包括整流电路、稳压电路和电池充电电路三部分组成，其中整流电路采用并联同步开关接口电路。如图4所述为本发明一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器中并联同步开关电路方案示意图，在压电发电装置和全桥整流桥之间并联放置一个开关和电感，当结构振幅达到极值时，闭合开关S，压电元件与电感形成振荡回路。经过1/2 个LC振荡周期，断开开关。并联同步电路实质在于当结构振动速度换向时，改变压电元件电压，使之与振动速度方向保持一致，增加压电元件阻尼作用时间，从而更多地将机械能转换成电能。全桥整流并联输出后接入稳压电路，采用MAX667集成芯片稳压并接入TP4057对电池充电。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，包括外框，电磁能量收集单元和复合梁；
所述电磁能量收集单元包括线圈、磁铁振子；
所述复合梁包括子悬臂梁、锥形空腔梁、连接件、锥形空腔压电片和子悬臂梁压电片；
所述锥形空腔梁的短端固定于外框，长端通过连接件连接子悬臂梁的一端，所述子悬臂梁的另一端固定磁铁振子，所述磁铁振子上下对称固定在子悬臂梁能够活动的一端，所述锥形空腔梁上设有锥形空腔压电片，子悬臂梁设有子悬臂梁压电片，所述线圈位于磁铁振子上下固定于外框，与磁铁振子同心。
2.根据权利要求1所述的一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述子悬臂梁压电片和锥形空腔压电片表面分布有焊盘，通过引线与外接储能负载相连。
3.根据权利要求1所述的一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述子悬臂梁、锥形空腔梁与连接件之间通过螺栓或胶粘方式固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述外框为长方形框，固定电极引线和储能电路。
5.根据权利要求1所述的一种锥形腔体梁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述磁铁振子包括铷硼磁铁。
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