CN111404419A - 双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，基座的形状为凹形，左、右两个立柱与基座的底面垂直，左侧立柱内侧固定有悬臂梁，右侧立柱内侧固定有环形磁铁，悬臂梁的自由端固定有矩形磁铁。靠近悬臂梁根部设有上下两层PZT压电陶瓷，每片压电陶瓷设有导线用于将电信号输出。由悬臂梁、环形磁铁、矩形磁铁各自的几何尺寸和两块磁铁的间距，确定能量采集器处于三稳状态或四稳状态。本发明仅用环形与矩形两块磁铁，便实现了系统三稳态或四稳态所具有的技术特征，为悬臂梁结构的振动能量收集器的设计应用提供了新的技术，相对减小了采集器所占据的体积，提高了采集器的体积能量收集密度。

Description

双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器

技术领域

本发明属于新能源采集技术，具体涉及一种采集振动能量并将其转换为电能的装置。

背景技术

环境中振动现象普遍存在，如车辆行驶、各种机械设备的运转甚至于人员的行走等都会产生振动，正因为振动能量无处不在，所以振动能量采集器可以作为一种新的能源供给方式。振动能量采集系统根据其工作原理，主要分为压电式、静电式、电磁式三种。其中，压电式是利用压电材料的正压电效应产生电能，压电晶体受到外界振动力的作用可引起内部电荷的流动，从而可以产生电信号或输出电能。

振动能量采集系统一般由基座、悬臂梁、PZT压电陶瓷、以及质量块等构成，其中悬臂梁作为接收或产生振动的部件，可产生较大的柔顺系数和挠度。最早出现的是线性单稳压电式悬臂梁振动能量采集器，“单稳”是指该能量采集器具有一个稳态作用点或区段。由于其只能在共振频率附近一个势阱中来回振荡，能量收集频带较窄，收集环境中频带较宽的能量时效率较低。

在此基础上专业研究者将线性压电悬臂梁自由端的质量块用矩形磁铁替代，同时在基座上也固定一块相同的矩形磁铁，这就是非线性双稳压电式悬臂梁振动能量采集器。这种采集器中的两块磁铁的同性磁极相对，二者相互排斥。通过调节两磁铁的间距可使悬臂梁处于“双稳”状态，悬臂梁会在两个稳态势阱中来回振荡。与线性结构的“单稳”相比，非线性双稳结构在收集环境中的宽带能量时更具有适应性。

近年来，为了进一步扩宽能量收集频带，研究者又在双稳结构基础上，增多了基座上矩形磁铁的数量，从而提出了非线性三稳、四稳压电式悬臂梁振动能量采集器。

三稳态结构和四稳态结构分别包含三个稳态势阱和四个稳态势阱，在合适的结构参数下，系统可在三个或四个稳态势阱之间来回跃迁。与双稳结构相比较，三稳结构和四稳结构可以形成更大幅度的位移响应，其能量收集频带也更宽。然而，常规的三稳结构和四稳结构必须包含三块矩形磁铁和四块矩形磁铁，其在引入更多的稳态势阱的同时也必须拥有更多的矩形磁铁。磁铁数目的增多，不仅增大了系统结构的复杂性和系统动力学分析的繁琐性,也造成了能量收集器体积的增大,并相对降低了体积能量收集密度。

发明内容

为了弥补所述三稳和四稳压电式悬臂梁振动能量采集器的技术缺陷，本发明的目的是提出了一种双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，该能量采集器仅用两块磁铁，即可实现系统三稳态或四稳态所具有的技术特征。

本发明的技术方案包括能量采集器的结构和确定两种磁铁间距的计算步骤。

双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器包括：基座、悬臂梁、两片PZT压电陶瓷、两块磁铁、导线等。该结构的技术方案是：两块磁铁一块是环形；另外一块是矩形。基座的形状为凹形，左、右两个立柱与基座的底面垂直，左侧立柱内侧固定有悬臂梁，右侧立柱内侧固定有环形磁铁，悬臂梁的自由端固定有矩形磁铁。靠近悬臂梁根部设有上下两层PZT压电陶瓷，每片PZT压电陶瓷设有导线用于将电信号输出。由悬臂梁、环形磁铁、矩形磁铁各自的几何尺寸和两块磁铁的间距，确定能量采集器处于三稳状态或四稳状态。

其工作原理是，具有弹性的悬臂梁一端(与基座)固定，另一端悬空(自由端)，当受到外界振动时，悬臂梁会产生上下振动。此时悬臂梁自由端上的磁铁与基座上的磁铁会发生相对运动，与悬臂梁固定在一起的压电陶瓷就会产生电能。

本发明的技术关键是：两块磁铁的结构分别是环形和矩形；仅采用两块磁铁就可使能量采集系统在三个或四个稳态势阱之间来回跃迁。一般来讲，稳态势阱数目越多，能量采集器频带越宽，效率越高。“单稳”之所以比“双稳”采集的能量低，就是因为单稳能量采集器只具有一个稳态的区段，只能在“拟共振频率”附近一个势阱中来回振荡，能量收集频带较窄，当然收集环境中振动的效率较低。但是在引入更多的稳态势阱的同时也必须拥有更多的矩形磁铁。磁铁数目的增多，不仅增大了系统结构的复杂性和动力学计算分析的繁琐性,也造成了能量收集器体积的增大,另一方面也相对降低了体积能量的收集密度。本发明虽然采用了两块磁铁却达到了多块磁铁所具有的稳态势阱。

本发明的特点和产生的有益效果在于：与常规三稳、四稳结构相比较，该能量采集器仅包含环形与矩形两块磁铁，只需简单地设置悬臂梁、两块磁铁的几何尺寸和两块磁铁间距即可实现三稳态或四稳态技术特征。一方面，这简化了系统设计、动力学分析、调试安装等方面带来的复杂性,为悬臂梁结构的振动能量收集器的设计应用,提供了新的思路和技术方法；另一方面，这可以减小采集器所占据的体积，并相对地提高采集器的体积能量收集密度。

附图说明

附图1为本发明的结构原理示意图。

附图2为悬臂梁弯曲状态下磁铁几何关系示意图。

附图3为三稳实施例两磁铁不同间距下系统势函数图。

附图4为四稳实施例两磁铁不同间距下系统势函数图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。需要说明的是，尽管说明书附图对实施例进行了描述，但是该实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以改变各组成部分的材料和尺寸参数，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术方案包括能量采集器结构和装置中两块磁铁间距的确定方法。

双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，其结构是：两块磁铁一块是环形；另外一块是矩形。基座1的形状为凹形，左、右两个立柱与基座的底面垂直，左侧立柱内侧固定有悬臂梁2，右侧立柱内侧固定有环形磁铁3，悬臂梁的自由端固定有矩形磁铁6。靠近悬臂梁根部设有上下两层PZT压电陶瓷4，每片PZT压电陶瓷设有导线5用于将电信号输出。由悬臂梁、环形磁铁、矩形磁铁各自的几何尺寸和两块磁铁的间距，确定能量采集器处于三稳状态或四稳状态。

环形磁铁的中心与矩形磁铁的中心水平对中放置，环形磁铁与矩形磁铁的磁极同性相对。

优选三稳、四稳状态，两种磁铁之间的距离由下述计算步骤确定：

(1)通过下式获取悬臂梁弯曲时其自由端磁铁偏转角、水平位移与竖直位移的关系，根据悬臂梁弯曲状态时(如附图2所示)几何关系及形状函数，可得：

式中，x_C、l_C、y_C的单位均为m。

(2)通过下式计算矩形磁铁与环形磁铁之间的非线性磁力

依据磁化电流模型：

式中，F_i、F_j、F_k的单位均为N；M_A的单位为A/m；S₁、S₂的单位均为m²；B_i、B_j、B_k的单位均为T(特斯拉)。

(3)计算所述能量采集器处于三稳状态或四稳状态时的势函数

定义悬臂梁自由端在竖直方向位移的初始水平位置，即x_C＝0作为系统的零势能点，且不考虑重力势能,那么当悬臂梁自由端在竖直方向的位移为x_C时,系统总势能V包括：

其中

式中，K_eq为系统的等效刚度，单位为N/m；V、W的单位均为J(焦耳)。

在确定悬臂梁、矩形磁铁和环形磁铁的几何尺寸之后，根据式(1)～(4)可得到势函数图像，依据势函数图像，即可获取实现三稳状态或四稳状态的两种磁铁间距。

作为实施例，悬臂梁选用高弹性矽钢，二片PZT压电陶瓷选用PZT-5A，长15mm×宽5mm×厚0.2mm。矩形、环形两块磁铁的材料均选用Nd₂Fe₁₄B。

实现能量采集器处于三稳状态时，悬臂梁的尺寸：长60mm×宽10mm×厚0.15mm。矩形磁铁的尺寸：高20mm×宽20mm×厚3mm。环形磁铁的尺寸：外环直径

内环直径

厚度3mm，两磁铁间距为12～15mm。

实现能量采集器处于四稳状态时，悬臂梁的尺寸：长60mm×宽10mm×厚0.18mm。矩形磁铁的尺寸：高30mm×宽30mm×厚3mm。环形磁铁的尺寸：外环直径

内环直径

厚度3mm，两磁铁间距为8～10mm。

PZT压电陶瓷以胶接的形式分别固定在悬臂梁的上下两端。PZT压电陶瓷与导线通过焊锡固定，导线与外部采集电路相连。在基座的左侧立柱上设有沟槽，悬臂梁固定镶嵌在沟槽内，环形与矩形两块磁铁均以胶接的形式固定在悬臂梁的自由端以及基座右立柱上。

根据实施例的中悬臂梁、矩形磁铁和环形磁铁的参数，利用MATLAB软件对式(1)～(4)进行数值仿真，便可得到不同磁铁间距下系统势函数。计算的结果如附图3和附图4所示。

附图3为实施例d＝12mm、d＝15mm、d＝20mm和d＝30mm时系统势函数图，图中的凹点即为系统的稳态点，代表系统能量最小的位置。从图中可以看出，d＝12mm和d＝15mm时，系统处于三稳状态(曲线中的三个谷底)；随着磁铁间距的不断增大，如d＝20mm，系统退化为双稳状态；若磁铁间距进一步增大，如d＝30mm，系统最终会退化为拟线性单稳状态。

附图4为四稳实施例d＝8mm、d＝10mm、d＝20mm和d＝30mm时系统势函数图，从图中可以看出，d＝8mm和d＝10mm时，系统处于四稳状态；随着磁铁间距的不断增大，如d＝20mm，系统会退化为双稳状态；若磁铁间距进一步增大，如d＝30mm，系统最终会退化为拟线性单稳状态。

结合附图3和附图4得知，要想实现三稳状态，磁铁间距可设计为12～15mm；同理，要想实现四稳状态，磁铁间距可设计为8～10mm。

需要说明的是：三稳实施例(仅是个命名)不代表系统只能实现三稳，而是意味着两块磁铁几何参数以及悬臂梁参数确定以后，在合适的距离下可以实现三稳状态。间距过大可能只获得“双稳”或者“单稳”。

设定不同的间距，利用式(1)～(4)都可以计算得出该间距使得振动系统处于什么状态。以附图3为例，d＝20mm是双稳；d＝30mm是单稳；d＝12mm和d＝15mm都是三稳。但无论d＝12mm或d＝15mm时的势函数，还是d＝20mm或d＝30mm时的势函数，都是在两块磁铁、悬臂梁尺寸设定以后获得的。即：悬臂梁长60mm×宽10mm×厚0.15mm；矩形磁铁高20mm×宽20mm×厚3mm；环形磁铁外环直径

内环直径为

厚度为3mm。

Claims (4)

1.双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，包括基座、悬臂梁、两片PZT压电陶瓷、两块磁铁、以及导线，其特征是：两块磁铁一块是环形；另外一块是矩形，基座(1)的形状为凹形，左、右两个立柱与基座的底面垂直，左侧立柱内侧固定有悬臂梁(2)，右侧立柱内侧固定有环形磁铁(3)，悬臂梁的自由端固定有矩形磁铁(6)，靠近悬臂梁根部设有上下两层PZT压电陶瓷(4)，每片PZT压电陶瓷设有导线(5)用于将电信号输出；由悬臂梁、环形磁铁、矩形磁铁各自的几何尺寸和两种磁铁的间距，确定能量采集器处于三稳状态或四稳状态。

2.根据权利要求1所述的双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，其特征是：所述两块磁铁之间的距离由下述计算步骤确定：

(1)通过下式获取所述悬臂梁弯曲时其自由端磁铁偏转角、水平位移与竖直位移的关系

式中，α悬臂梁自由端矩形磁铁的偏转角，x_C为悬臂梁自由端在竖直方向上的位移，l_C为悬臂梁的长度，y_C为悬臂梁自由端在水平方向上的位移；

(2)通过下式计算矩形磁铁与环形磁铁之间的非线性磁力

其中，i、j、k分别为x、y、与xy平面垂直的z方向上的单位矢量，F_i、F_j、F_k分别为x、y、z方向上的磁铁力，M_A为矩形磁铁的磁化强度，S₁、S₂分别为矩形磁铁上、下表面的面积，S₁＝S₂＝t_Aw_A，t_A、w_A分别为矩形磁铁的厚度和宽度，S₃、S₄分别为矩形磁铁前、后表面的面积，S₃＝S₄＝t_Al_A，l_A为矩形磁铁的长度，B_i、B_j、B_k分别为环形磁铁在x、y、z方向上的磁感应强度；

(3)计算所述能量采集器处于三稳状态或四稳状态时的势函数

总势能

其中

式中，K_eq为系统的等效刚度，

在确定悬臂梁、矩形磁铁和环形磁铁的几何尺寸之后，根据式(1)～(4)可得到势函数图像，依据势函数图像，即可获取实现三稳状态或四稳状态的两种磁铁间距。

3.根据权利要求1所述的双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，其特征是：所述环形磁铁的中心与矩形磁铁的中心水平对中放置，环形磁铁与矩形磁铁的磁极同性相对。

4.根据权利要求1所述的双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器，其特征是：实现所述能量采集器处于三稳状态时，所述悬臂梁的尺寸：长60mm×宽10mm×厚0.15mm，所述矩形磁铁的尺寸：高20mm×宽20mm×厚3mm，所述环形磁铁的尺寸：外环直径

内环直径

厚度3mm，所述两磁铁间距为12～15mm；实现所述能量采集器处于四稳状态时，悬臂梁的尺寸：长60mm×宽10mm×厚0.18mm，矩形磁铁的尺寸：高30mm×宽30mm×厚3mm，环形磁铁的尺寸：外环直径

内环直径

厚度3mm，所述两磁铁间距为8～10mm。

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