CN112636632A - 一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，包括外部支架、通过弹性元件柔性连接地设置于外部支架上的动力传输部件以及固定于外部支架内的可调夹持部件和压电采集部件。与现有技术相比，本发明通过压电采集部件的非线性两自由度的悬臂梁结构，可以使悬臂梁的谐振频率与外界激励源相匹配，同时动力传输部件可以将外界激励源的低频转换成压电采集部件的高频振动，通过可调夹持部件可以调整压电采集部件的放置位置，使压电采集部件能够自适应匹配外界激励源的振动频率。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，涉及微能源采集技术，尤其是涉及一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器。
背景技术
随着无线技术和微机电系统(Microelectro-mechanical System,MEMS)技术的快速发展，微电子设备应用于各种领域，其应用环境日渐复杂。面对这样的情况，如何给微电子设备供电成为亟待解决的问题。传统电池供电由于寿命短、存储能量有限以及报废后对环境的污染等一系列问题，使其对微电子系统供电的应用存在诸多的限制。
振动能量是环境当中一种普遍存在的能量形式，来源广泛，包括各种工业机械振动，以及自然存在的振动，例如大自然中的风力致振动。振动能量的收集主要是通过环境当中的机械振动转化成电能并通过能量收集电路将其存储。根据采集的原理不同可大致分为以下三种方式：静电式、电磁式、压电式和磁致伸缩式。鉴于压电式能量收集技术具有非常高的机电转换效率、无需要驱动电源和输出电压、能量密度较高的优点；同时，压电能量采集器结构紧凑、环境适应性强易于MEMS技术集成，因此压电式能量采集技术备受青睐。
压电式能量采集技术的机理是基于压电材料的正压电效应把振动能量转化为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的束缚电荷，电荷的面密度与所受外力的大小成正比，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，由此将机械振动能转化成电能。
目前，压电能量采集器往往只在其谐振频率处具有较大电压输出，偏离其谐振频率其输出电压会急剧下降，会存在能量转化效率低、工作频带窄等缺点。使得压电能量采集器的工作范围有限，实用性不强。
发明内容
本发明基于非线性技术原理，提供一种具有宽频带的非线性两自由度多谐振压电能量采集器。通过压电采集部件的非线性两自由度的悬臂梁结构，可以使悬臂梁的谐振频率与外界激励源相匹配，同时动力传输部件可以将外界激励源的低频转换成压电采集部件的高频振动，通过可调夹持部件可以调整压电采集部件的放置位置，使压电采集部件能够自适应匹配外界激励源的振动频率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，包括外部支架、通过弹性元件柔性连接地设置于外部支架上的动力传输部件以及固定于外部支架内的可调夹持部件和压电采集部件；
所述的压电采集部件包括两自由度悬臂梁机构、受力板、两个移动板和两个受力弹簧；所述的两自由度悬臂梁机构具有被可调夹持部件所夹持的固定板、从固定板一侧伸出的两个并列布置的悬臂梁、贴附于各悬臂梁上的压电片以及设置于各悬臂梁末端的悬臂梁永磁体；两个移动板可滑动地穿设于固定板上，并分别位于并列布置的悬臂梁的上下两侧，两个移动板的第一端位于固定板的悬臂梁一侧，并设有移动板永磁体，两个移动板的第二端与受力板固定连接，且两个受力弹簧分别套设于受力板与固定板之间的移动板上；
所述的动力传输部件用于在转动过程中施力于受力板，使受力板沿受力弹簧轴线方向运动。
优选地，移动板位于固定板的悬臂梁一侧的部分以及悬臂梁均为长条形板状，并在自然状态下水平布置。
优选地，两个移动板上的移动板永磁体均与并列布置的悬臂梁上的悬臂梁永磁体相互吸引，且两个移动板上的移动板永磁体相互吸引。
优选地，所述的移动板穿设于固定板的部分呈圆柱形。
优选地，所述的动力传输部件包括转动板，所述的转动板通过弹性元件承载于外部支架上，且转动板朝向外部支架内的一侧设有指向受力板的L型击打块，所述的L型击打块用于在转动板发生转动时施力于受力板，使受力板沿受力弹簧轴线方向运动。
优选地，所述的动力传输部件还包括穿设并固定于转动板上的转动轴、固定设置并分别与转动轴的两端可转动连接的扭簧圈固定座以及连接于转动轴和扭簧圈固定座之间的扭簧圈。
优选地，所述的转动轴为两端开槽口转动轴，所述的扭簧圈固定座上设有槽口，所述的扭簧圈的两端分别卡入转动轴端部的槽口和扭簧圈固定座的槽口中。
优选地，所述的可调夹持部件由并运动导向基座、通过螺杆支撑座设置于运动导向基座中间的双旋向螺杆、与运动导向基座滑动连接并分别设置于双旋向螺杆的两段不同旋向的螺纹上的第一螺母座和第二螺母座、设置于第一螺母座和第二螺母座内侧面上的摩擦板以及设置于双旋向螺杆两端的螺杆旋钮。
优选地，所述的可调夹持部件通过基座安装于外部支架内侧。
优选地，所述的外部支架上设有阻挡板，所述的动力传输部件通过弹性元件柔性连接地设置于阻挡板上。
本发明中：外部支架主要用来撑动力传输部件。基座用来固定可调夹持部件。动力传输部件主要用来传递外部激励源。压电采集部件用于将外界传递进入的振动能量转化成电能。可调夹持部件用于调整压电采集部件放置的位置，提高能量采集效率。阻挡板用来限制动力传输部件的过度转动。弹性元件用于连接动力部件和阻挡板，积蓄弹性势能。
本发明中，动力传输部件的转动板在受到外界激励作用下，转动板压缩弹性元件(优选为压缩弹簧)，使弹性元件积蓄弹性势能，并且进一步优选转动板带动转动轴偏转，在扭簧圈内也能积蓄弹性势能；相当于把外部激励转换成弹性部件(压缩弹簧和扭簧圈)的弹性势能。在外界激励消失以后，转动板由于弹性势能的释放将做简谐运动。转动板的转动角度优选小于90度，且转动板上的L型击打块，由于转动板的往复偏转将来回击打压电采集部件，不断激励压电采集模块。压电采集部件受到L型击打块的不断击打，压电采集部件将产生自谐振，将振动能转化转换成电能。
本发明的多谐振为非线性两自由度结构的谐振频带宽，压电采集部件有多个谐振频率。本发明的非线性是指在悬臂梁末端加入永磁体，引入磁场之后整个振动能量采集部件的势能函数发生了变化，成为非线性势能函数系统，整个压电采集部件形成非线性振动。本发明的两自由度是指在能量采集部件中左、右悬臂梁接受外界的激励，同时左、右悬臂梁之间的振动通过磁力相互影响，形成一个相互作用的结构系统。本发明的可调夹持部件用于固定和调整压电采集部件的位置可以控制压电采集部件夹持的高度和横向位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的非线性两自由度多谐振压电能量采集器采用的动力传输模块可以将外界振动激励的能量转化为弹性部件的弹性势能，暂时存储能量，在外界振动激励消失后，弹性部件将带动转动板，一起做简谐运动。
本发明中转动板的简谐转动运动使得L型击打块不断地击打压电采集部件，从而多次激励压电能量采集部件产生自谐振，将外界振动能量转化为电能。
本发明当中采用非线性两自由度的悬臂梁压电采集部件具有较宽的频带，在较宽的频率范围内可以产生较大的振幅，从而在压电片上产生较大的应力和应变，提高了能量转换效率，增加电能的输出。
本发明将外界低频的输入转化为了压电能量采集部件悬臂梁的高频振动，使压电能量采集模块受到多次激励，都提高了能量采集效率，增加了电能输出。
附图说明
图1为本发明一个视角下的结构示意图。
图2为本发明另一个视角下的结构示意图。
图3为本发明可调夹持部件的示意图。
图4为本发明压电采集部件的结构示意图。
图5为本发明压电采集部件的爆炸示意图。
图6为本发明动力传输部件的结构示意图。
图中，1为外部支架，2为压电采集部件，21为移动板，22为悬臂梁永磁体， 23为压电片，24为两自由度悬臂梁机构，241为固定板，242为悬臂梁，25为移动板永磁体，26为受力弹簧，27为受力板，3为可调夹持部件，31为运动导向基座，32为第一螺母座，33为双旋向螺杆，34为螺杆旋钮，35为摩擦板，36为螺杆支撑座，37为第二螺母座，4为动力传输部件，41为转动板，42为转动轴，43 为扭簧圈固定座，44为扭簧圈，45为L型击打块，5为基座，6为弹性元件，7为阻挡板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是。术语“上”、“下”、“中”“左”、“右”、“内部/外部”、“顶/低部”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。
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“安置”、“放置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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，也可以是焊接，也可以是直接项相连，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，可以具体情况理解上述术语在本实用型中的具体含义。
实施例1
一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，如图1、图2、图4和图5所示，包括外部支架1、通过弹性元件6柔性连接地设置于外部支架1上的动力传输部件 4以及固定于外部支架1内的可调夹持部件3和压电采集部件2；压电采集部件2 包括两自由度悬臂梁机构24、受力板27、两个移动板21和两个受力弹簧26；两自由度悬臂梁机构24具有被可调夹持部件3所夹持的固定板241、从固定板241 一侧伸出的两个并列布置的悬臂梁242、贴附于各悬臂梁242上的压电片23(如图 4和图5所示，压电片黏附于悬臂梁242的上表面)以及设置于各悬臂梁242末端的悬臂梁永磁体22；两个移动板21可滑动地穿设于固定板241上，并分别位于并列布置的悬臂梁242的上下两侧，两个移动板21的第一端位于固定板241的悬臂梁242一侧，并设有移动板永磁体25，两个移动板21的第二端与受力板27固定连接，且两个受力弹簧26分别套设于受力板27与固定板241之间的移动板21上；动力传输部件4用于在转动过程中施力于受力板27，使受力板27沿受力弹簧26 轴线方向运动。
本实施例中，移动板21优选位于固定板241的悬臂梁242一侧的部分以及悬臂梁242均为长条形板状，并在自然状态下水平布置。进一步优选移动板21穿设于固定板241的部分呈圆柱形，更进一步优选移动板21位于固定板242另一侧的部分也都是呈圆柱形，形成圆柱端，受力弹簧26套设于该端上，如图4和图5所示。本实施例中优选移动板21通过螺钉与受力板27紧固。进一步优选两个移动板 21上的移动板永磁体25均与并列布置的悬臂梁242上的悬臂梁永磁体22相互吸引，且两个移动板21上的移动板永磁体25相互吸引。例如本实施例中，如图4 和图5所示，悬臂梁242末端的悬臂梁永磁体22上下面分别为S级和N级。上方的移动板21第一端的移动板永磁体25的下面(朝向两个悬臂梁的242一面)为N 极，下方的移动板第一端的移动板永磁体25的上面(朝向两个悬臂梁的242一面) 为S级。
本实施例中，如图6所示，优选动力传输部件4包括转动板41，转动板41通过弹性元件6承载于外部支架1上，且转动板41朝向外部支架1内的一侧设有指向受力板27的L型击打块45，L型击打块45用于在转动板41发生转动时施力于受力板27，使受力板27沿受力弹簧26轴线方向运动。进一步优选动力传输部件4 还包括穿设并固定于转动板41上的转动轴42、固定设置并分别与转动轴42的两端可转动连接的扭簧圈固定座43(固定座43可以固定在外部支架1上，也可以固定在其他外部设备上)以及连接于转动轴42和扭簧圈固定座43之间的扭簧圈44。更进一步优选转动轴42为两端开槽口转动轴，扭簧圈固定座43上设有槽口，扭簧圈44的两端分别卡入转动轴42端部的槽口和扭簧圈固定座43的槽口中。本实施例中，如图1、图2和图6所示，优选外部支架1两端设有两个阻挡板7，转动板 41的四个角通过弹性元件6柔性连接地设置于两个阻挡板7上。弹性元件6优选为压缩弹簧。
本实施例中，如图3所示，优选可调夹持部件3由运动导向基座31(运动导向基座31具有两个并排布置的导轨)、通过螺杆支撑座36设置于运动导向基座31 中间的双旋向螺杆33(双旋向螺杆33是指两端具有不同旋向螺纹的螺杆，双旋向螺杆33的轴向方向与运动导向基座31的导向方向相同)、与运动导向基座31滑动连接(嵌入)并分别设置于双旋向螺杆33的两段不同旋向的螺纹上的第一螺母座 32(图3中右侧的螺母座)和第二螺母座37(图3中左侧的螺母座)、设置于第一螺母座32和第二螺母座37内侧面上的摩擦板35以及设置于双旋向螺杆33两端的螺杆旋钮34。优选可调夹持部件3通过基座5安装于外部支架1内侧。通过旋转螺杆旋钮34可以将压电采集部件2的固定板241夹紧。
本实施例中，转动板41为外界激励的受力部位，使得与转动板41相连的弹性元件6(压缩弹簧)和扭簧圈44获得弹性势能，转动板41发生偏转。同时与转动板41相固定的L型击打块45随转动板41偏转，致使L型击打块45击打压电采集部件2。压电采集部件2的受力板27接受到L型击打块45的撞击，受力板27 挤压受力弹簧26，推动移动板21移动，移动板21末端的移动板永磁体25和悬臂梁永磁体22的移动产生励磁激励，将振动传递到两自由度悬臂梁242上，同时两自由度压电悬臂梁242的振动将导致压电片23受到拉伸或压缩应变。从而压电片 23上有电荷输出。当外部激励消失，弹性元件6和扭簧圈44释放弹性势能使转动板41恢复到原位置过程中转动板41产生往复偏转，做简谐运动。转动板41往复偏转使L型击打块45不断连续撞击压电采集部件2，使压电采集部件2产生自谐振。通过不断激励压电采集部件2，将外界振动能量转化成电能。同时，采用可调夹持部件3可以旋动螺杆旋钮34，通过第二螺母座37和第一螺母座32的开合来调节压电采集部件2被L型击打块45撞击的位置，使压电采集部件能更好的匹配外界振动激励源频率，提高能量转化效率。本发明将外界单次激励变为转动板41 的来回转动，L型击打块45的不断撞击压电采集部件的2使低频振动激励源变为高频振动激励源，提高了对能量采集的效率，增加了电能的输出。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，包括外部支架(1)、通过弹性元件(6)柔性连接地设置于外部支架(1)上的动力传输部件(4)以及固定于外部支架(1)内的可调夹持部件(3)和压电采集部件(2)；
所述的压电采集部件(2)包括两自由度悬臂梁机构(24)、受力板(27)、两个移动板(21)和两个受力弹簧(26)；所述的两自由度悬臂梁机构(24)具有被可调夹持部件(3)所夹持的固定板(241)、从固定板(241)一侧伸出的两个并列布置的悬臂梁(242)、贴附于各悬臂梁(242)上的压电片(23)以及设置于各悬臂梁(242)末端的悬臂梁永磁体(22)；两个移动板(21)可滑动地穿设于固定板(241)上，并分别位于并列布置的悬臂梁(242)的上下两侧，两个移动板(21)的第一端位于固定板(241)的悬臂梁(242)一侧，并设有移动板永磁体(25)，两个移动板(21)的第二端与受力板(27)固定连接，且两个受力弹簧(26)分别套设于受力板(27)与固定板(241)之间的移动板(21)上；
所述的动力传输部件(4)用于在转动过程中施力于受力板(27)，使受力板(27)沿受力弹簧(26)轴线方向运动。
2.根据权利要求1所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，移动板(21)位于固定板(241)的悬臂梁(242)一侧的部分以及悬臂梁(242)均为长条形板状，并在自然状态下水平布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，两个移动板(21)上的移动板永磁体(25)均与并列布置的悬臂梁(242)上的悬臂梁永磁体(22)相互吸引，且两个移动板(21)上的移动板永磁体(25)相互吸引。
4.根据权利要求2所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的移动板(21)穿设于固定板(241)的部分呈圆柱形。
5.根据权利要求1所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的动力传输部件(4)包括转动板(41)，所述的转动板(41)通过弹性元件(6)承载于外部支架(1)上，且转动板(41)朝向外部支架(1)内的一侧设有指向受力板(27)的L型击打块(45)，所述的L型击打块(45)用于在转动板(41)发生转动时施力于受力板(27)，使受力板(27)沿受力弹簧(26)轴线方向运动。
6.根据权利要求5所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的动力传输部件(4)还包括穿设并固定于转动板(41)上的转动轴(42)、固定设置并分别与转动轴(42)的两端可转动连接的扭簧圈固定座(43)以及连接于转动轴(42)和扭簧圈固定座(43)之间的扭簧圈(44)。
7.根据权利要求6所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的转动轴(42)为两端开槽口转动轴，所述的扭簧圈固定座(43)上设有槽口，所述的扭簧圈(44)的两端分别卡入转动轴(42)端部的槽口和扭簧圈固定座(43)的槽口中。
8.根据权利要求1所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的可调夹持部件(3)由运动导向基座(31)、通过螺杆支撑座(36)设置于运动导向基座(31)中间的双旋向螺杆(33)、与运动导向基座(31)滑动连接并分别设置于双旋向螺杆(33)的两段不同旋向的螺纹上的第一螺母座(32)和第二螺母座(37)、设置于第一螺母座(32)和第二螺母座(37)内侧面上的摩擦板(35)以及设置于双旋向螺杆(33)两端的螺杆旋钮(34)。
9.根据权利要求1所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的可调夹持部件(3)通过基座(5)安装于外部支架(1)内侧。
10.根据权利要求1所述的一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，其特征在于，所述的外部支架(1)上设有阻挡板(7)，所述的动力传输部件(4)通过弹性元件(6)柔性连接地设置于阻挡板(7)上。
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- 2020-12-21 CN CN202011522004.8A patent/CN112636632B/zh active Active
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