CN112260582B - 一种磁悬浮压电式振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，包括壳体以及安置于壳体内部的固定磁体、悬浮磁体、振动磁体、锥形重物和压电层合板；壳体为空心圆柱状；悬浮磁体与位于其上方的固定磁体以及位于其下方的振动磁体均相斥；锥形重物位于振动磁体的下方，且尖端朝下，锥形重物与振动磁体紧密连接，构成振动磁体‑锥形重物整体；压电层合板安置于振动磁体‑锥形重物整体的下方，且压电层合板和振动磁体‑锥形重物整体通过螺钉紧密连接。本发明将环境振动机械能通过磁体间相斥作用力转化为压电材料输出的电能，利用磁悬浮感应环境振动，在较微弱的振动环境下依然能获得较大的振幅，大大提高了能量回收效率。
Description
技术领域
本发明属于振动能量采集技术领域，涉及一种磁悬浮压电式振动能量采集装置。
背景技术
近年来，随着微电子技术的不断发展，电子产品逐渐集成微型化，广泛应用于生活、科研、军事的方方面面。由于目前各种微型元器件电路设计技术的不断突破，其能耗越来越低，但是其许多应用是在环境条件恶劣以及人类难以接近的地方或是植入测试对象内部，这对供能元器件的体积、寿命和成本都有着较高的要求。如何为这些设备供电已成为当务之急。
电池供电很难满足无线传感器的需求。并且电池寿命短，体积大且质量大，存储能量有限，并且会对环境造成污染，不易回收，对于大量的微型元器件，很难实现定期更换。压电振动能量采集方法以其装置结构简单，清洁环保，从环境回收能源以及易于微型化等特点而受到广泛的重视。压电式振动能量采集装置利用压电效应实现振动机械能量向电能的转换，当压电材料在外界振动激励随之振动时，压电元件产生变形，表面累积电荷，从而在压电元件的上、下两个电极之间形成电势差，通过能量采集电路将该电压转换，将机械振动能转换成电能并存储，所以对压电振动能量采集装置的研究一般集中在压电换能元件和机械结构两个方面。传统的机械结构有矩形悬臂梁结构(基于压电陶瓷的轨道振动能量采集方法[J].城市轨道交通研究.2012(12)；Power harvesting for railroad track healthmonitoring using piezoelectric and inductive devices[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2008.)和圆盘形结构(Designand Verification of a Rail-Borne Energy Harvester for Powering WirelessSensor Networks in the Railway Industry[J].IEEE Transactions on IntelligentTransportation Systems,2017,18(6):1596-1609.)，圆盘形结构相较于矩形悬臂梁结构可以承受较大的冲击和载荷，但就其本身而言，现有技术的圆盘形结构通过直接接触将力激励传递，直接接触增加了元件间不必要的碰撞，存在能量损耗，使得对微弱振动感应能力不足，难以采集足够的能量。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种磁悬浮压电式振动能量采集装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，包括壳体以及安置于壳体内部的固定磁体、悬浮磁体、振动磁体、锥形重物(压电材料的弯曲需要受到来自压电材料中心的集中力作用，锥形设计可以将磁体传递来的力集中于一点传给压电材料，并且锥形设计便于和压电材料连接)和压电层合板；
壳体为空心圆柱状；本发明装置的壳体是空心圆柱状，空心圆柱状结构将所有压电相关结构包含在内部，并且能够承载压电层合板和磁体，为悬浮磁体的运动创造了环境；
固定磁体固定在壳体的顶部，振动磁体位于固定磁体的下方，悬浮磁体悬浮于固定磁体和振动磁体之间；悬浮磁体与位于其上方的固定磁体以及位于其下方的振动磁体均相斥；如果没有悬浮磁体，装置就会变为单自由度系统，之所以在固定磁体和振动磁体之间加悬浮磁体，是因为当系统变为二自由度之后，能够有效拓宽能量回收装置的工作频带范围，显著提升输出功率，实验证明，在简谐激励和轨道车辆振动激励下，二自由度系统的输出功率是单自由度系统的1.5倍。
锥形重物位于振动磁体的下方，且尖端朝下，锥形重物与振动磁体紧密连接，构成振动磁体-锥形重物整体；锥形重物与振动磁体紧密连接，避免了两者之间的冲击和碰撞，减少了能量损失，增强能量转换效率；
压电层合板安置于振动磁体-锥形重物整体的下方，且压电层合板和振动磁体-锥形重物整体通过螺钉紧密连接；
压电层合板由形变基体和分别贴设在形变基体上下表面的压电材料组成，压电材料外露的表面镀有银电极；由于压电材料非常脆，采用形变基体和压电层复合而成的层合板结构可以对压电材料起到很好的保护作用；实际制作工艺中，为了保证压电材料层的边缘不崩裂，并加强电极间的绝缘，压电材料层的直径需要比形变基体的直径小一些，由此压电层合板的表面构成了阶梯特征。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，壳体为空心圆柱状。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，固定磁体、悬浮磁体和振动磁体为底面直径相等的圆柱形，固定磁体位于悬浮磁体的正上方，振动磁体位于悬浮磁体的正下方。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，振动磁体的底面直径与锥形重物的底面直径相等；
锥形重物为锥形金属，金属优选为黄铜。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，形变基体的材质为金属，优选为黄铜。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，形变基体的形状为圆形，圆形结构在机电耦合特性和加工难易上具有优势。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，形变基体两侧外边缘通过固定环固定在壳体内壁。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，压电材料为压电陶瓷，优选为PZT-5H。
如上所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，锥形重物尖端处开有一个螺孔，通过螺钉穿过压电层合板镶入螺孔内，将压电层合板和振动磁体-锥形重物整体紧密连接。
本发明的原理如下：
现有的压电式振动能量回收方式一般都是通过直接接触将力激励传递给压电片产生能量，直接接触无法避免元件之间的冲击与碰撞，大大降低了能量传递效率。而本发明将环境振动机械能通过磁体间相斥作用力转化为压电材料输出的电能，即通过将力激励转化为磁体间的磁力，间接地将力传递给压电层合板，使得在较微弱的振动环境下依然能获得较大的振幅，避免了元件直接接触发生刚性碰撞，增加了非线性作用力，非线性作用力比线性作用力能更好地俘获能量，增大了能量采集装置的刚度，有效避免了能量的损失，提高了能量回收效率。
本发明磁悬浮压电式振动能量采集装置的壳体是空心圆柱状，空心圆柱状结构能够将所有压电相关结构包含在内部，并且能够承载压电层合板和磁体，为悬浮磁体的运动创造了环境。
有益效果：
(1)本发明利用磁悬浮感应环境振动，由于磁体间相斥的磁力作用，使得在较微弱的振动环境下依然能获得较大的振幅，从而产生足够的电量，磁体间非线性作用力改变了能量采集装置的刚度，提高能量回收效率；
(2)本发明利用悬浮磁体对振动磁体的磁力作用使得与振动磁体-锥形重物相连的压电层合板受力形变，无刚性碰撞，冲击小，减少了能量损失，提高了发电效率。
附图说明
图1为本发明的磁悬浮压电式振动能量采集装置的结构示意图；
图2为本发明的磁悬浮压电式振动能量采集装置的俯视图；
图3为本发明的磁悬浮压电式振动能量采集装置的A-A面剖面图；
图4为本发明的磁悬浮压电式振动能量采集装置的B-B面剖面图；
其中，1-固定磁体，2-悬浮磁体，3-振动磁体，4-锥形重物，5-压电陶瓷，6-形变基体，7-固定环，8-螺钉。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”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。
如图1～4所示，一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，包括壳体以及安置于壳体内部的固定磁体1、悬浮磁体2、振动磁体3、锥形重物4和压电层合板；
壳体为空心圆柱状；固定磁体1固定在壳体的顶部，振动磁体3位于固定磁体1的正下方，悬浮磁体2悬浮于固定磁体1和振动磁体3之间，悬浮磁体2与位于其正上方的固定磁体1以及位于其正下方的振动磁体3均相斥(其中一种具体的实现方式为：固定磁体1的下方为N极，振动磁体3的上方为S极，悬浮磁体2的上方为N极，下方为S极)；固定磁体、悬浮磁体和振动磁体为底面直径相等的圆柱形，锥形重物4为锥形黄铜，位于振动磁体3的下方，且尖端朝下，振动磁体的底面直径与锥形重物的底面直径相等，锥形重物4与振动磁体3紧密连接，构成振动磁体-锥形重物整体；压电层合板安置于振动磁体-锥形重物整体的下方，且压电层合板和振动磁体-锥形重物整体通过螺钉8紧密连接，具体为：锥形重物4尖端被平行于圆锥底面的一个平面截去，在截面处开有一个螺孔，通过螺钉8穿过压电层合板镶入螺孔内，将压电层合板和振动磁体-锥形重物整体紧密连接；压电层合板由圆形的形变基体6(材质为黄铜)和分别贴设在形变基体6上下表面的压电陶瓷5(PZT-5H)组成，形变基体6两侧外边缘通过固定环7固定在壳体内壁，压电陶瓷5外露的表面镀有银电极。
采用本发明的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置进行能量采集的方法，是将环境振动机械能通过磁体间相斥作用力转化为压电陶瓷输出的电能，具体实施方式如下：首先根据试验测得所应用环境振动能量最集中的频段(本发明的装置是安置在共享单车上，对共享单车行车中的振动能量进行回收，所以，这里所述最集中的频段，指共享单车在一般路面上正常速度行车过程中的振动频率，为此，可将加速度传感器正确连接在共享单车上，测量垂直方向的振动频率，通过多次测量，即可获得最集中的频段)，对振动磁体和锥形重物质量进行选定和匹配，匹配方法如下：当测量得到振动最集中的频段之后，设定磁体重量、磁体间距、锥形重物质量的参数，求出装置振动的固有频率，再通过调节上述参数，将装置固有频率调节到和测量所得最集中频段相吻合，由此来达到共振的目的，使能量转换最大化；然后将本发明的磁悬浮压电式振动能量采集装置固定安装在振动激励系统中，通过导线连接压电陶瓷上的银电极，外界振动进行激励输入，当装置所处环境发生振动时，悬浮磁体开始振动，不断的靠近和远离振动磁体，振动磁体受到来自于悬浮磁体的磁力的作用，也开始振动，由于悬浮磁体与振动磁体-锥形重物构成的系统和外部激励产生共振，锥形重物挤压压电层合板，使贴在形变基体上下表面的压电陶瓷弯曲形变，压电陶瓷从而将振动能量转化为电能输出，供用电设备使用。
Claims (8)
1.一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于：包括壳体以及安置于壳体内部的固定磁体、悬浮磁体、振动磁体、锥形重物和压电层合板；
固定磁体固定在壳体的顶部，振动磁体位于固定磁体的下方，悬浮磁体悬浮于固定磁体和振动磁体之间，悬浮磁体与位于其上方的固定磁体以及位于其下方的振动磁体均相斥；
锥形重物位于振动磁体的下方，且尖端朝下，锥形重物与振动磁体紧密连接，构成振动磁体-锥形重物整体；
压电层合板安置于振动磁体-锥形重物整体的下方，且压电层合板和振动磁体-锥形重物整体通过螺钉紧密连接；
压电层合板由形变基体和分别贴设在形变基体上下表面的压电材料组成，压电材料外露的表面镀有银电极；形变基体两侧外边缘通过固定环固定在壳体内壁。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，壳体为空心圆柱状。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，固定磁体、悬浮磁体和振动磁体为底面直径相等的圆柱形，固定磁体位于悬浮磁体的正上方，振动磁体位于悬浮磁体的正下方。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，振动磁体的底面直径与锥形重物的底面直径相等；
锥形重物为锥形金属。
5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，形变基体的材质为金属。
6.根据权利要求5所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，形变基体的形状为圆形。
7.根据权利要求1所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，压电材料为压电陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种磁悬浮压电式振动能量采集装置，其特征在于，锥形重物尖端处开有一个螺孔，通过螺钉穿过压电层合板镶入螺孔内，将压电层合板和振动磁体-锥形重物整体紧密连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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