CN112187097A - 一种对称结构振动能量收集装置 - Google Patents

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石小青
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甄禹同
郭鑫雨
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters

Abstract

本发明提供一种对称结构振动能量收集装置,包括支撑梁、第一压电片、第二压电片、导轨、第一弹簧、第二弹簧、第一磁铁、第二磁铁、多个端部磁铁、框架和蓄能装置;支撑梁安装在框架内,第一压电片和第二压电片分别安装在支撑梁的上、下两侧;第一磁铁位于第一压电片上面,第二磁铁位于第二压电片下面;导轨依次穿过第一磁铁、第一压电片、支撑梁、第二压电片、第二磁铁、且与支撑梁垂直布置,导轨的两端与框架连接;第一弹簧安装在导轨的上部,第二弹簧安装在导轨的下部;第一压电片和第二压电片分别与蓄能装置连接。本发明在机械设备工作时,有效的将逸散在环境中的机械振动能量转换为电能,并为机械设备中的小型传感器或微小机电系统进行供电。

Description

一种对称结构振动能量收集装置
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域,尤其涉及一种对称结构振动能量收集装置。
背景技术
随着可持续发展战略以及节能环保的倡导,小型机电系统与传感器的应用数量大幅上升。以往的小型传感器和微小机电系统通常靠普通的化学电池供电,主要有以下不足:①输出电压不稳定,会随着使用时间的增加而降低,难以达到一些要求供电电压恒定的精密传感器的使用要求;②使用寿命相对较短,需经常拆装电池,难以满足一些安装位置不便的微小型传感器的使用要求;③容易对环境造成污染。基于上述原因,可为持续型传感器和微小机电系统供电的能量收集的研究是非常必要和具有实用价值的。
近二十年来,关于能量收集的的研究与应用越来越丰富,包括太阳能,风能,热能,机械能等,其中,机械振动能由于存在领域广,易收集等特点使其被广泛研究。关于机械振动能量转化为电能的方式主要分为三类,分别是电磁式,压电式和静电式。利用压电式振动能量收集装置将机械振动能量收集并转换为电能,有望替代电池为汽车或其他旋转机械中的小型传感器或微小机电系统提供潜在的能量。
以往的压电式振动能量收集装置中,悬臂梁夹质量块结构的研究也最为丰富,但传统的悬臂梁夹质量块结构在能量收集过程中有较大的局限性,其收集频带较窄且不好调整相关参数以拓宽收集频带和调整最适合的激励频率范围。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供一种对称结构振动能量收集装置,在机械设备工作时,有效的将逸散在环境中的机械振动能量转换为电能,并为机械设备中的小型传感器或微小机电系统进行供电。
本发明的技术方案是:一种对称结构振动能量收集装置,包括支撑梁、第一压电片、第二压电片、导轨、第一弹簧、第二弹簧、第一磁铁、第二磁铁、多个端部磁铁、框架和蓄能装置;所述支撑梁横向安装在框架内的中间部位,所述第一压电片和第二压电片分别安装在支撑梁的上、下两侧;所述第一磁铁位于第一压电片上面,所述第二磁铁位于第二压电片下面;所述导轨依次穿过第一磁铁、第一压电片、支撑梁、第二压电片、第二磁铁、且与支撑梁垂直布置,所述导轨的两端与框架连接;所述第一弹簧安装在导轨的上部、且第一弹簧的两端分别抵住支撑梁和第一磁铁,第二弹簧安装在导轨的下部、且第二弹簧的两端分别抵住支撑梁和第二磁铁;所述端部磁铁的数量为四的倍数,至少四个端部磁铁,端部磁铁平均分成两排,一排端部磁铁安装在框架一侧、且对称布置在第一弹簧的两侧;另一排端部磁铁安装在框架另一侧、且对称布置在第二弹簧的两侧;所述第一磁铁和第二磁铁的磁性相吸;第一弹簧两侧的端部磁铁与第一磁铁的磁性相吸;第二弹簧两侧的端部磁铁与第二磁铁的磁性相吸;所述第一压电片和第二压电片分别与蓄能装置连接。
上述方案中,还包括整流装置;所述第一压电片和第二压电片分别通过整流装置与蓄能装置连接。
上述方案中,所述支撑梁、第一压电片和第二压电片的末端通过吊耳与框架连接。
进一步的,所述支撑梁、第一压电片和第二压电片的一端通过第一吊耳和第二吊耳上下夹紧,再通过螺栓拧紧,支撑梁、第一压电片和第二压电片的另一端通过第三吊耳和第四吊耳上下夹紧,再通过螺栓拧紧。
上述方案中,所述第一磁铁粘贴在第一压电片上面,所述第二磁铁粘贴在第二压电片下面。
上述方案中,所述端部磁铁的数量为四个,分别包括第三磁铁、第四磁铁、第五磁铁和第六磁铁;所述第三磁铁和第四磁铁安装在框架一侧、且对称布置在第一弹簧的两侧;所述第五磁铁和第六磁铁分别安装在框架另一侧、且对称布置在第二弹簧的两侧;所述第三磁铁和第四磁铁与第一磁铁的磁性相吸;所述第五磁铁和第六磁铁与第二磁铁的磁性相吸。
上述方案中,所述端部磁铁分别粘贴在框架上。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明在机械设备工作时,有效的将逸散在环境中的机械振动能量转换为电能,并为机械设备中的小型传感器或微小机电系统进行供电。当振动源发生振动时,对称结构振动能量收集装置随振动源一起振动,由于支撑梁具有一定刚度,第一磁铁和第二磁铁不会与框架和振动源做一样的微幅振动,此时装置中的第一磁铁和第二磁铁会带动支撑梁和第一弹簧和第二弹簧沿圆柱导轨轴向进行振动。弹簧为螺旋弹簧,可以在第一磁铁与第二磁铁振动时辅助调节支撑梁的刚度。固定端磁铁给第一磁铁和第二磁铁提供非线性的引力,可以增大第一磁铁和第二磁铁与支撑梁的振动幅度;以及保证在更宽的频率激励下,第一磁铁、第二磁铁和支撑梁都可以有相对较好的振动幅度。支撑梁和第一磁铁、第二磁铁在重力,磁力,螺旋弹簧弹力,离心力等的综合作用下沿着圆柱形导轨轴向进行大幅度振动,由于支撑梁和压电片夹紧固定,第一磁铁、第二磁铁和支撑梁振动时会对压电片造成挤压,压电片表面就会产生电荷,在压电片上下分别通过导线接出,可将电荷储存到蓄电装置或者直接给小型传感器或微小机电系统提供电源。
附图说明
图1是本发明一实施方式的结构示意图。
图2是本发明一实施方式的能量流向示意图。
图3是本发明工作原理示意图。
图中:1、支撑梁;2、第一压电片;3、第二压电片;4、第一吊耳;5、第二吊耳;6、第三吊耳;7、第四吊耳;8、导轨;9、第一弹簧;10、第二弹簧;11、第一磁铁;12、第二磁铁;13、第三磁铁;14、第四磁铁;15、第五磁铁;16、第六磁铁;17、框架。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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”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”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,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,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,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为所述对称结构振动能量收集装置的一种较佳实施方式,所述对称结构振动能量收集装置,包括支撑梁1、第一压电片2、第二压电片3、导轨8、第一弹簧9、第二弹簧10、第一磁铁11、第二磁铁12、多个端部磁铁、框架17和蓄能装置。
所述支撑梁1横向安装在框架17内的中间部位,所述第一压电片2和第二压电片3分别安装在支撑梁1的上、下两侧;所述第一磁铁11位于第一压电片2上面,所述第二磁铁12位于第二压电片3下面;所述导轨8依次穿过第一磁铁11、第一压电片2、支撑梁1、第二压电片3、第二磁铁12的中部、且与支撑梁1垂直布置,所述导轨8的两端与框架17连接;所述第一弹簧9安装在导轨8的上部、且第一弹簧9的两端分别抵住支撑梁1和第一磁铁11,第二弹簧10安装在导轨8的下部、且第二弹簧10的两端分别抵住支撑梁1和第二磁铁12。
所述端部磁铁的数量为四的倍数,至少四个端部磁铁,端部磁铁平均分成两排,一排端部磁铁安装在框架17一侧、且对称布置在第一弹簧9的两侧;另一排端部磁铁安装在框架17另一侧、且对称布置在第二弹簧10的两侧;所述第一磁铁11和第二磁铁12的磁性相吸;第一弹簧9两侧的端部磁铁与第一磁铁11的磁性相吸;第二弹簧10两侧的端部磁铁与第二磁铁12的磁性相吸。
优选的,所述支撑梁1、第一压电片2和第二压电片3的末端通过吊耳用螺栓夹紧固定,然后通过螺栓与框架17连接。具体的,所述支撑梁1、第一压电片2和第二压电片3的一端通过第一吊耳4和第二吊耳5上下夹紧,再通过螺栓拧紧,支撑梁1、第一压电片2和第二压电片3的另一端通过第三吊耳6和第四吊耳7上下夹紧,再通过螺栓拧紧。
所述第一磁铁11粘贴在第一压电片2上面,所述第二磁铁12粘贴在第二压电片3下面。
优选的,所述端部磁铁的数量为四个,分别包括第三磁铁13、第四磁铁14、第五磁铁15和第六磁铁16;所述第三磁铁13和第四磁铁14安装在框架17一侧、且对称布置在第一弹簧9的两侧;所述第五磁铁15和第六磁铁16分别安装在框架17另一侧、且对称布置在第二弹簧10的两侧;所述第三磁铁13和第四磁铁14与第一磁铁11的磁性相吸;所述第五磁铁15和第六磁铁16与第二磁铁12的磁性相吸。优选的,所述端部磁铁分别通过粘贴的方式安装在框架17上。
如图2所示,所述第一压电片2和第二压电片3分别通过整流装置与蓄能装置连接。环境中的振动能通过所述对称结构振动能量收集装置变成交流电压,再通过整流装置形成稳定直流电压储存在蓄能装置中再提供给小型传感器或微小机电系统,或者直接提供给小型传感器或微小机电系统利用。
如图3所示,所述对称结构振动能量收集装置通过框架17固定安装于振动源上。当振动源发生振动时,对称结构振动能量收集装置随振动源一起振动,所述第一弹簧9和第二弹簧10为螺旋弹簧,第一磁铁11和第二磁铁12由于第一弹簧9和第二弹簧10具有一定的弹性,不会与框架17和振动源做一样的微幅振动。此时装置中的第一磁铁11和第二磁铁12会带动支撑梁1和第一弹簧9和第二弹簧10沿圆柱导轨8轴向进行振动。四个固定端磁铁第三磁铁13、第四磁铁14、第五磁铁15和第六磁铁16给中部磁铁第一磁铁11和第二磁铁12提供非线性的引力,可以增大第一磁铁11和第二磁铁12与支撑梁1的振动幅度;以及保证在更宽的频率激励下,第一磁铁11、第二磁铁12和支撑梁1都可以有相对较好的振动幅度。支撑梁1和第一磁铁11、第二磁铁12在重力,磁力,螺旋弹簧弹力,离心力(旋转振动的一个环境中,比如将这个装置安装在车轮上,就会有离心力作用)等的综合作用下沿着圆柱形导轨8轴向进行大幅度振动,由于支撑梁1和第一压电片2、第二压电片3被第一吊耳4、第二吊耳5、第三吊耳6和第四吊耳7夹紧固定,第一磁铁11、第二磁铁12和支撑梁1振动时会对第一压电片2、第二压电片3造成挤压,第一压电片2、第二压电片3表面就会产生电荷。在第一压电片2、第二压电片3上下分别通过导线接出,并串联一个负载电阻形成闭合电路,负载电阻两端即可输出交变电压。如果使用二极管和外部电容形成一个整流回路对压电片闭合回路外接一个全波整流,则可以输出较为稳定的单向直流电压,这可作为机械设备上的小型传感器或微小机电系统的理想电源。
应当理解,虽然本说明书是按照各个实施例描述的,但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种对称结构振动能量收集装置,其特征在于,包括支撑梁(1)、第一压电片(2)、第二压电片(3)、导轨(8)、第一弹簧(9)、第二弹簧(10)、第一磁铁(11)、第二磁铁(12)、多个端部磁铁、框架(17)和蓄能装置;
所述支撑梁(1)横向安装在框架(17)内的中间部位,所述第一压电片(2)和第二压电片(3)分别安装在支撑梁(1)的上、下两侧;所述第一磁铁(11)位于第一压电片(2)上面,所述第二磁铁(12)位于第二压电片(3)下面;所述导轨(8)依次穿过第一磁铁(11)、第一压电片(2)、支撑梁(1)、第二压电片(3)、第二磁铁(12)、且与支撑梁(1)垂直布置,所述导轨(8)的两端与框架(17)连接;所述第一弹簧(9)安装在导轨(8)的上部、且第一弹簧(9)的两端分别抵住支撑梁(1)和第一磁铁(11),第二弹簧(10)安装在导轨(8)的下部、且第二弹簧(10)的两端分别抵住支撑梁(1)和第二磁铁(12);
所述端部磁铁的数量为四的倍数,至少四个端部磁铁,端部磁铁平均分成两排,一排端部磁铁安装在框架(17)一侧、且对称布置在第一弹簧(9)的两侧;另一排端部磁铁安装在框架(17)另一侧、且对称布置在第二弹簧(10)的两侧;所述第一磁铁(11)和第二磁铁(12)的磁性相吸;第一弹簧(9)两侧的端部磁铁与第一磁铁(11)的磁性相吸;第二弹簧(10)两侧的端部磁铁与第二磁铁(12)的磁性相吸;
所述第一压电片(2)和第二压电片(3)分别与蓄能装置连接。
2.根据权利要求1所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,还包括整流装置;所述第一压电片(2)和第二压电片(3)分别通过整流装置与蓄能装置连接。
3.根据权利要求1所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,所述支撑梁(1)、第一压电片(2)和第二压电片(3)的末端通过吊耳与框架(17)连接。
4.根据权利要求3所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,所述支撑梁(1)、第一压电片(2)和第二压电片(3)的一端通过第一吊耳(4)和第二吊耳(5)上下夹紧,再通过螺栓拧紧,支撑梁(1)、第一压电片(2)和第二压电片(3)的另一端通过第三吊耳(6)和第四吊耳(7)上下夹紧,再通过螺栓拧紧。
5.根据权利要求1所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,所述第一磁铁(11)粘贴在第一压电片(2)上面,所述第二磁铁(12)粘贴在第二压电片(3)下面。
6.根据权利要求1所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,所述端部磁铁的数量为四个,分别包括第三磁铁(13)、第四磁铁(14)、第五磁铁(15)和第六磁铁(16);
所述第三磁铁(13)和第四磁铁(14)安装在框架(17)一侧、且对称布置在第一弹簧(9)的两侧;所述第五磁铁(15)和第六磁铁(16)分别安装在框架(17)另一侧、且对称布置在第二弹簧(10)的两侧;所述第三磁铁(13)和第四磁铁(14)与第一磁铁(11)的磁性相吸;所述第五磁铁(15)和第六磁铁(16)与第二磁铁(12)的磁性相吸。
7.根据权利要求1所述的对称结构振动能量收集装置,其特征在于,所述端部磁铁分别粘贴在框架(17)上。
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