CN112366980A - 一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，包括壳体、质量块、机械调制模块、能量转化模块。所述质量块固定于所述壳体的底部，所述质量块背向所述壳体的一面为弧面，使得所述质量块与壳体构成不倒翁结构；所述壳体放置于水平面上，所述机械调制模块固定于所述壳体的表面并与所述能量转化模块上一一对应；位于壳体的底部的质量块使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态，水平面内产生任意方向的激励打破平衡状态使壳体发生往复晃动，在此过程中机械调制模块将壳体晃动产生的机械能传递给能量转化模块。应用本技术方案可实现将环境中的多方向低频振动能量高效地转化为电能，为无线电子设备供电的功能。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集领域，具体是指一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器。
背景技术
无线传感器网络在军事、农业、环境监测、结构健康、智能交通等领域发挥越来越重要的作用。无线传感器网络由无数个广泛分布的传感器节点组成，通常，这些传感器节点设备依靠电池来提供能量，存在寿命有限、更换困难、污染环境等问题。针对传感器节点等无线电子设备的供能问题，研究人员提出利用环境中的能量为无线电子设备供电的方案，例如利用环境中的振动能、太阳能、风能等能量。机械振动能相比于风能、太阳能等形式，具有良好的持续性和稳定性，分布广泛且在产生、利用过程中几乎不产生污染，是一种绿色环保、可靠有效的能量形式。
振动能量收集技术根据能量的转化形式可以分为压电式、电磁式、静电式以及摩擦式等。其中压电式能量收集器最典型的结构是包含基底与压电层的悬臂梁结构，能够实现较大的能量输出，但该结构存在激励方向单一、谐振频率较高(特别当尺寸较小时候)等缺点，面对环境中的低频多方向振动例如人体运动、海水波动、风的流动、桥梁的抖动等，该结构的输出能量将会非常微弱。针对低频或者多方向振动能量收集问题，研究者提出了许多结构，例如西安电子科技大学的樊康旗提出一种单稳态压电悬臂梁结构，通过在压电悬臂梁末端安装磁铁并与上下固定安装的磁铁相互吸引，能够有效降低谐振频率提高输出。但目前能够实现兼具低频与多方向振动能量收集的研究还比较稀少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，实现将环境中的多方向低频振动能量高效地转化为电能，为无线电子设备供电的功能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，包括壳体、质量块、机械调制模块及能量转化模块；
所述质量块固定于所述壳体的底部，所述质量块背向所述壳体的一面为弧面，使得所述质量块与壳体构成不倒翁结构；所述壳体放置于水平面上，所述机械调制模块固定于所述壳体的表面并与所述能量转化模块上一一对应；所述能量转化模块关于所述壳体的中心呈旋转对称分布；位于壳体的底部的质量块使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态，水平面内产生任意方向的激励打破平衡状态使壳体发生往复晃动，在此过程中固定于所述壳体的表面与能量转化模块对应的机械调制模块将壳体晃动产生的机械能传递给能量转化模块，能量转化模块将机械能转化为电能。
在一较佳的实施例中：所述壳体与质量块组成的不倒翁结构，在水平面内任意方向激励下产生往复晃动，并在激励消失时恢复初始的平衡状态。
在一较佳的实施例中：所述壳体具体为一沿竖直方向的中心轴旋转对称的壳体。
在一较佳的实施例中：所述壳体由圆柱状上部及弧面状下部组成；所述弧面状下部的弧面弧度与所述质量块的弧面弧度相同；所述质量块设置于所述壳体的弧面状下部的内部。
在一较佳的实施例中：所述机械调制模块具体为多组磁铁组；每组磁铁组包括相互排斥的第一磁铁及第二磁铁；所述第一磁铁固定设置于所述壳体的外表面，所述第二磁铁固定设置于所述能量转化模块上；当壳体发生晃动时，第一磁铁与第二磁铁之间的距离减短，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力增加，由此产生的机械能传递给能量转化模块。
在一较佳的实施例中：所述能量转化模块由压电悬臂梁构成，所述压电悬臂梁由基底和压电片构成，压电片粘贴于基底上，所述压电片沿竖直方向设置；压电悬臂梁的末端固定有所述的第二磁铁，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力使悬臂梁末端发生位移，进而使悬臂梁上的压电片发生形变，通过压电效应输出电能。
在一较佳的实施例中，所述机械调制模块具体为牵引绳；所述牵引绳的一端固定连接所述壳体，所述牵引绳的另一端固定连接所述能量转化模块。
在一较佳的实施例中，所述能量转化模块包括弹簧、磁感应装置和磁感应线圈；所述牵引绳远离所述壳体的一端连接所述磁感应装置，所述磁感应装置通过所述弹簧连接所述磁感应线圈，所述磁感应线圈与所述磁感应装置一一对应，所述壳体晃动使得所述牵引绳拉动所述磁感应装置沿水平方向移动，所述磁感应装置与所述磁感应线圈发生相对运动而发电。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明优点之一是相比于悬臂梁式能量收集器，不倒翁结构能够有效将平面内多方向低频振动能量转化为结构的晃动，实现对外界广泛存在的多方向振动能的高效收集。
2.本发明优点之二是通过保证位于壳体的底部的质量块使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态来降低结构的谐振频率，更易于收集低频振动能量。
3.本发明优点之三是利用机械调制模块，采用磁铁相互排斥作用传递能量，能够将不倒翁的低频晃动传递给能量转化模块，并能够实现升频效果，提高输出。
附图说明
图1为本发明优选实施例1中不倒翁结构多方向低频振动能量收集器的结构示意图；
图2为本发明优选实施例2中不倒翁结构多方向低频振动能量收集器的结构示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，参考图1：包括壳体1、质量块2、机械调制模块及能量转化模块；
所述质量块2固定于所述壳体1的底部，所述质量块2背向所述壳体1的一面为弧面，使得所述质量块2与壳体1构成不倒翁结构；所述壳体1放置于水平面上，所述机械调制模块固定于所述壳体1的表面并与所述能量转化模块上一一对应；所述能量转化模块关于所述壳体1的中心呈旋转对称分布；位于壳体1底部的质量块2使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态，水平面内产生任意方向的激励打破平衡状态使壳体1发生往复晃动，在此过程中固定于所述壳体1的表面并与能量转化模块对应的机械调制模块将壳体1晃动产生的机械能传递给能量转化模块，能量转化模块将机械能转化为电能。相比于悬臂梁式能量收集器，不倒翁结构能够有效将平面内多方向低频振动能量转化为结构的晃动，实现对外界广泛存在的多方向振动能的高效收集。
具体来说，所述壳体1与质量块2组成的不倒翁结构，在水平面内任意方向激励下产生往复晃动，并在激励消失时恢复初始的平衡状态。通过保证位于壳体1底部的质量块2使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态，合理调整壳体1的外形尺寸、质量块2的质量，能够降低结构的谐振频率，更易于收集低频振动能量。
具体来说，所述壳体1具体为一沿竖直方向的中心轴旋转对称的壳体1。所述壳体1由圆柱状上部及弧面状下部组成，由环氧树脂制成；所述质量块2具体为弧面状的质量块2；所述质量块2设置于所述壳体1的弧面状下部的内部，使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态；在本实施例中，所述质量块2由钨钢制成。所述质量块2的弧面具体为半球状弧面，所述弧面状下部的弧面具体也为半球状；还可以设置成椭圆弧面，属于简单替换，不能以此限定本发明的保护范围。
所述机械调制模块具体为多组磁铁组3；每组磁铁组3包括相互排斥即磁性相反的第一磁铁及第二磁铁；在本实施例中，所述第一磁铁与第二磁铁均由铷磁铁制成。所述第一磁铁固定设置于所述壳体1的外表面，所述第二磁铁固定设置于所述能量转化模块上；当壳体1发生晃动时，第一磁铁与第二磁铁之间的距离减短，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力增加，由此产生的机械能传递给能量转化模块。采用磁铁相互排斥作用传递能量，能够将不倒翁的低频晃动传递给能量转化模块，并能够实现升频效果，提高输出。
所述能量转化模块由压电悬臂梁构成，由基底5和压电片4构成；所述基底5为矩形状薄片，所述压电片4粘贴于基底5上，所述压电片沿竖直方向设置；每一压电悬臂梁远离水平面的末端固定有所述的第二磁铁，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力使压电悬臂梁远离水平面的末端发生位移，进而使固定于基底上的压电片发生形变，通过压电效应输出电能。在本实施例中，所述能量转化装置由四组压电悬臂梁组成。
在本实施例中，所述基底5由黄铜制成，压电片4具体为锆钛酸铅压电陶瓷。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：所述机械调制模块具体为牵引绳6；所述牵引绳6的一端固定连接所述壳体1，所述牵引绳6的另一端固定连接所述能量转化模块。所述能量转化模块包括弹簧9、磁感应装置7和磁感应线圈8；所述牵引绳6远离所述壳体的一端连接所述磁感应装置7，所述磁感应装置7通过所述弹簧9连接所述磁感应线圈8，所述磁感应线圈8与所述磁感应装置7一一对应，所述壳体1晃动使得所述牵引绳6拉动所述磁感应装置7沿水平方向移动，所述磁感应装置7与所述磁感应线圈8发生相对运动而发电。在本实施例中，所述磁感应装置7具体为磁铁，所述能量转化模块关于壳体中心呈旋转阵列分布，个数为4个。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.一种不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：包括壳体、质量块、机械调制模块及能量转化模块；
所述质量块固定于所述壳体的底部，所述质量块背向所述壳体的一面为弧面，使得所述质量块与壳体构成不倒翁结构；所述壳体放置于水平面上，所述机械调制模块固定于所述壳体的表面并与所述能量转化模块上一一对应；所述能量转化模块关于所述壳体的中心呈旋转对称分布；位于壳体的底部的质量块使不倒翁结构的重心处在最低点以保持不倒翁结构的平衡状态，水平面内产生任意方向的激励打破平衡状态使壳体发生往复晃动，在此过程中固定于所述壳体的表面与能量转化模块对应的机械调制模块将壳体晃动产生的机械能传递给能量转化模块，能量转化模块将机械能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：所述壳体与质量块组成的不倒翁结构，在水平面内任意方向激励下产生往复晃动，并在激励消失时恢复初始的平衡状态。
3.根据权利要求1所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：所述壳体具体为一沿竖直方向的中心轴旋转对称的壳体。
4.根据权利要求3所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：所述壳体由圆柱状上部及弧面状下部组成；所述弧面状下部的弧面弧度与所述质量块的弧面弧度相同；所述质量块设置于所述壳体的弧面状下部的内部。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：所述机械调制模块具体为多组磁铁组；每组磁铁组包括相互排斥的第一磁铁及第二磁铁；所述第一磁铁固定设置于所述壳体的外表面，所述第二磁铁固定设置于所述能量转化模块上；当壳体发生晃动时，第一磁铁与第二磁铁之间的距离减短，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力增加，由此产生的机械能传递给能量转化模块。
6.根据权利要求5所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于：所述能量转化模块由压电悬臂梁构成，所述压电悬臂梁由基底和压电片构成，压电片粘贴于基底上，所述压电片沿竖直方向设置；压电悬臂梁的末端固定有所述的第二磁铁，第一磁铁与第二磁铁之间的排斥力使悬臂梁末端发生位移，进而使悬臂梁上的压电片发生形变，通过压电效应输出电能。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于，所述机械调制模块具体为牵引绳；所述牵引绳的一端固定连接所述壳体，所述牵引绳的另一端固定连接所述能量转化模块。
8.根据权利要求7所述的不倒翁结构多方向低频振动能量收集器，其特征在于，所述能量转化模块包括弹簧、磁感应装置和磁感应线圈；所述牵引绳远离所述壳体的一端连接所述磁感应装置，所述磁感应装置通过所述弹簧连接所述磁感应线圈，所述磁感应线圈与所述磁感应装置一一对应，所述壳体晃动使得所述牵引绳拉动所述磁感应装置沿水平方向移动，所述磁感应装置与所述磁感应线圈发生相对运动而发电。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210212 |