CN111987934B - 一种悬臂梁振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬臂梁振动发电装置，发电装置包括固定座、挠曲电材料、离子液体、上电极铜片、下电极铜片、质量块、绝缘基体层、磁流变弹性体、线圈、导磁支架和永磁铁，本发明通过控制线圈中的电流大小，改变磁流变弹性体中的磁场，实现磁流变弹性体的自动实时变刚度，调节振动发电装置的固有频率与外界振源频率接近，使得悬臂梁达到共振，在外界振源作用下实现俘获能量的最大。本发明基于挠曲电复合材料的改进型悬臂梁振动发电装置，克服了传统发电装置的体积大、结构复杂、噪音大、系统能量转换率低等缺陷，能够有效地提高悬臂梁发电机的工作效率，具有更高的机电能量转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬臂梁振动发电装置，属于振动发电技术领域。
背景技术
随着科技的进步以及人们对于生存环境的逐渐重视，针对新能源技术的研究成为了众多科研工作者的研究热点，基于挠曲电效应的能量采集技术作为新能源领域的一大亮点而备受关注。
传统电池供电具有一系列的弊端，比如寿命短、需要定期更换、污染环境等，而能量采集器将自然界中振动形式的机械能转化成电能，从环境中捕获能量为低功耗设备供电或为蓄电池充电，避免了传统电池的弊端。目前振动能转换为电能主要有三种方式：静电式，电磁式，压电式。其中静电式转换主要利用存储一定电荷量的电容极板在外界激励下产生相对位移，实现电荷的流动，但转换装置需外加电压，结构复杂，输出能量密度相对于压电式转换小。电磁式转换是利用法拉第电磁感应定律，由导电线圈和磁性部件的相对运动产生电流，但输出能量密度小、结构复杂、设备体积大，且噪音较大、抗电磁干扰能力弱，一般只适用于大型系统。压电式转换主要利用压电效应，压电材料在外界激励下产生变形，内部产生极化引起电荷的流动，从而在表面产生正负电荷。压电式发电装置具有结构简单、无电磁干扰、清洁环保和易于微型化等优点，但压电材料普遍需要经历较为苛刻的极化过程，一定程度限制了材料的使用寿命。与压电效应不同的是，挠曲电效应是由应变梯度诱导的电极化现象，可以存在于所有电介质材料中而不受材料对称性的限制。磁流变材料是一类具有流变特性可控的智能材料，在外加磁场作用下，其流变特性可发生连续、迅速和可逆的变化。
目前的振动发电装置存在造价高、效率低、体积大、结构复杂等问题，受到地域和气候的限制较为明显，且市面上一些压电发电装置虽然结构简单，但存在发电效率较低，无法有效吸收并转化环境的振动机械能，发电装置的机电能量转化率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有背景技术中的不足，提供一种悬臂梁振动发电装置，实现悬臂梁振动装置在外界振源作用下俘获能量最大，提高发电装置的机电能量转化率。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种悬臂梁振动发电装置，包括悬臂梁、质量块5与外界振源，所述悬臂梁包括上电极铜片4-1、下电极铜片4-2、挠曲电材料2、离子液体3、绝缘基体层7、磁流变弹性体8、线圈10、永磁铁、第一导磁支架11-1和第二导磁支架11-2；
所述上电极铜片4-1与下电极铜片4-2之间填充挠曲电材料2，所述挠曲电材料2的内部嵌有离子液体3，所述下电极铜片4-2的底面设置绝缘基体层7，所述绝缘基体层7的底面左右两端均设置有第二导磁支架11-2，所述第二导磁支架11-2内部设置永磁铁；所述绝缘基体层7的底面中间设置磁流变弹性体8，所述磁流变弹性体8固定在第一导磁支架11-1内部，所述第一导磁支架11-1安装在线圈10内部；
所述悬臂梁的一端通过固定座1与外界振源连接，另一端为自由端，连接质量块5；
所述质量块5设置在第二导磁支架11-2上方，所述质量块5与第二导磁支架11-2之间设置绝缘基体层7。
进一步的，所述绝缘基体层7的底面左端设置的第二导磁支架11-2与固定座1连接。
进一步的，所述磁流变弹性体8的左右两端与第二导磁支架11-2连接。
进一步的，所述离子液体3的特征半径小于L，L＝Υ/E，其中L为表面张力的弹性毛细管特征长度，Υ为所述离子液体3的表面张力系数，E为所述挠曲电材料2的弹性模量。
进一步的，所述离子液体3为表面张力系数大于0.001N/m的液体。
进一步的，所述离子液体3包括1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐离子液体。
进一步的，所述离子液体3形状包括球形。
进一步的，所述离子液体均匀或随机嵌入挠曲电材料2。
进一步的，所述挠曲电材料2为微纳米级柔性电介质材料，包括氧化锌、钛酸钡、钛酸锶钡、聚氟乙烯中的任意一种。
进一步的，所述外界振源包括风、水流、机械运动等各种运动引起的振动。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明一种悬臂梁振动发电装置，利用嵌入离子液体的表面张力和磁流变弹性体的变刚度作用，提高振动发电装置的机电能量转化率，使得悬臂梁振动装置在外界振源作用下实现俘获能量最大。
附图说明
图1是本发明实施例一种悬臂梁振动发电装置的正面剖视图；
图2是本发明实施例一种悬臂梁振动发电装置的侧面a-a处剖视图；
图3是本发明实施例一种悬臂梁振动发电装置的侧面b-b处剖视图；
图4是本发明实施例一种电源控制系统的结构示意图；
图中：1、固定座；2、挠曲电材料；3、离子液体；4-1、上电极铜片；4-2、下电极铜片；5、质量块；6、第一永磁铁；7、绝缘基体层；8、磁流变弹性体；9、第二永磁铁；10、线圈；11-1、第一导磁支架；11-2、第二导磁支架。
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1-3所示，分别为本发明实施例一种悬臂梁振动发电装置的正面剖视图、侧面a-a处剖视图及侧面b-b处剖视图。本发明提供的一种悬臂梁振动发电装置，它主要包括固定座1、挠曲电材料2、离子液体3、上下电极铜片4、质量块5、第一永磁铁6、绝缘基体层7、磁流变弹性体8、第二永磁铁9、线圈10、第一导磁支架11-1和第二导磁支架11-2；
上电极铜片4-1与下电极铜片4-2之间填充挠曲电材料2，挠曲电材料2的内部嵌有离子液体3，下电极铜片4-2的底面设置绝缘基体层7，其中绝缘基体层7的底面左右两端均设置有第二导磁支架11-2，第二导磁支架11-2内部设置永磁铁。绝缘基体层7的底面中间设置磁流变弹性体8，磁流变弹性体8固定在第一导磁支架11-1内部，所述第一导磁支架11-1安装在线圈10内部；
悬臂梁的一端通过固定座1与外界振源连接，另一端为自由端，连接质量块5；质量块5设置在第二导磁支架11-2上方，且质量块5与第二导磁支架11-2之间设置绝缘基体层7。
离子液体3均匀或随机嵌入在氧化锌等挠曲电材料2中，离子液体3特征半径应小于弹性毛细管特征长度，此时因表面张力和外力的作用，离子液体3的界面周围产生较大的应变梯度，因此产生较大的电极化强度，提高上电极铜片4-1与下电极铜片4-2之间的电势差，增强了挠曲电效应，提高了振动发电装置的机电能量转化率。
质量块5布置在悬臂梁的自由端，质量块5的大小满足能够增加悬臂梁自由端的振动幅度，又确保悬臂梁的振动幅度在限定的范围内，防止发电装置材料受到损伤。质量块5可以辅助调节振动频率、幅值至合适值，使得悬臂梁达到共振，以求悬臂梁振动装置在外界振源作用下实现俘获能量最大。
悬臂梁振动发电装置中的固定座1，能够把该振动发电装置固定在由风、水流、机械运动等引起的振动装置上，将外界振源振动转移到该发电装置上；所述挠曲电材料2为微纳米级柔性电介质材料，用于在发电装置振动过程中，在材料内部产生应变梯度和极化现象，上电极铜片4-1与下电极铜片4-2之间形成挠曲电电势差，采集并输出电能。
同时振动发电装置经过导线连接到电源控制箱，具体地，振动发电装置中负责产生电流的挠曲电材料2通过上电极铜片4-1与下电极铜片4-2，由导线导出，连接至电源控制箱，其产生的电流通过导线汇集到电源控制箱中的电检测设备，由电源控制箱内的信号处理器对电流大小进行分析，控制储电设备调节线圈中的电流大小改变磁场，使得磁流变弹性体8刚度调整到合适的大小，实现8的自动实时变刚度，使得整体发电装置的固有频率与外界振源频率接近，使悬臂梁达到共振，以求悬臂梁振动装置在外界振源作用下实现俘获能量最大。
磁流变弹性体8固定在挠曲电材料2下方，布置于由第一永磁铁6、第二永磁铁9、线圈10和第一导磁支架11-1、第二导磁支架11-2构成的磁场中，通过外接电源控制线圈10中的电流大小，调节磁场实现磁流变弹性体8的自动实时变刚度，使得整体发电装置的固有频率与外界振源频率接近达到共振，使得振动发电装置最大化的获取并转化外界振动能。
如图4所示为本发明实施例一种电源控制系统的结构示意图，电源控制箱整体包括有电检测设备、稳压整流电路、信号处理器、电能存储设备、变压输出设备以及外部的用电设备，其中电检测设备、稳压整流电路、电能存储设备、变压输出设备和用电设备顺次连接，电检测设备还通过信号处理器与电能存储设备连接，变压输出设备另一端与线圈10相连，上电极铜片4-1与下电极铜片4-2通过导线与电检测设备相连。
其中电检测设备可以采用通常的通电检测装置，主要用于检测振动发电装置的电流输出和电流大小情况，电检测设备与稳压整流设备连接，并将电能输出到电能存储设备，由变压输出设备输出并向用电设备供电，从而实现利用外界振源荷载发电或其他用电途径；稳压整流电路采用通常的稳压整流电路，对发电装置产生的电能进行稳压整流；信号处理器采集挠曲电材料2悬臂梁振动产生的电流，分析出上电极铜片4-1与下电极铜片4-2之间的电势差，根据挠曲电机电耦合方程换算成悬臂梁的振动频率和幅值，控制储电设备调节线圈10中的电流大小改变磁场，使得磁流变弹性体8刚度调整到合适的大小，使得整体发电装置的固有频率与外界振源频率接近，使悬臂梁达到共振，以求悬臂梁振动装置在外界振源作用下实现俘获能量最大。
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，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 (10)
1.一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，包括悬臂梁、质量块(5)与外界振源，所述悬臂梁包括上电极铜片(4-1)、下电极铜片(4-2)、挠曲电材料(2)、离子液体(3)、绝缘基体层(7)、磁流变弹性体(8)、线圈(10)、永磁铁、第一导磁支架(11-1)和第二导磁支架(11-2)；
所述上电极铜片(4-1)与下电极铜片(4-2)之间填充挠曲电材料(2)，所述挠曲电材料(2)的内部嵌有离子液体(3)，所述下电极铜片(4-2)的底面设置绝缘基体层(7)，所述绝缘基体层(7)的底面左右两端均设置有第二导磁支架(11-2)，所述第二导磁支架(11-2)内部设置永磁铁；所述绝缘基体层(7)的底面中间设置磁流变弹性体(8)，所述磁流变弹性体(8)固定在第一导磁支架(11-1)内部，所述第一导磁支架(11-1)安装在线圈(10)内部；
所述悬臂梁的一端通过固定座(1)与外界振源连接，另一端为自由端，连接质量块(5)；
所述质量块(5)设置在第二导磁支架(11-2)上方，所述质量块(5)与第二导磁支架(11-2)之间设置绝缘基体层(7)。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述绝缘基体层(7)的底面左端设置的第二导磁支架(11-2)与固定座(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述磁流变弹性体(8)的左右两端与第二导磁支架(11-2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述离子液体(3)的特征半径小于L，L＝Υ/E，其中L为表面张力的弹性毛细管特征长度，Υ为所述离子液体(3)的表面张力系数，E为所述挠曲电材料(2)的弹性模量。
5.根据权利要求4所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述离子液体(3)为表面张力系数大于0.001N/m的液体。
6.根据权利要求4或5所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述离子液体(3)包括1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐离子液体。
7.根据权利要求4或5所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述离子液体(3)形状包括球形。
8.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述离子液体均匀或随机嵌入挠曲电材料(2)。
9.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述挠曲电材料(2)为微纳米级柔性电介质材料，包括氧化锌、钛酸钡、钛酸锶钡、聚氟乙烯中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的一种悬臂梁振动发电装置，其特征在于，所述外界振源包括风、水流、机械运动等各种运动引起的振动。
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