CN113037133A - 一种多方向的上变频波浪振动俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，包括封闭外壳、两个带有圆形导轨的圆柱基座、金属球、轴承、光轴、圆环、驱动永磁体和4个压电悬臂梁结构，其特征在于将轴承放入圆环的两面，通过光轴将两个圆柱基座与圆环相连接，圆柱基座的底面和顶面与封闭外壳相连。所述压电悬臂梁结构由尼龙螺帽、尼龙螺柱、L型支座、盖片、梁上永磁体和压电片构成，所述金属球放置于圆柱基座内，通过金属球在圆柱基座内的圆形导轨上的滚动带动圆环转动，而圆环上的驱动永磁体通过与压电片上的梁上永磁体的磁力作用使压电片振动输出电能。该装置可以将外界超低频振动能量通过压电效应转换成电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪能量的收集。
Description
技术领域
本发明属于振动能量俘获技术领域，具体涉及一种多方向的上变频波浪振动俘能装置。
背景技术
近几十年来，储存、处理与通信技术都得到了快速的发展，但是电源技术的发展速度却不是十分明显。如今关于无线传感器的研究已经获得了不少成果，然而因节点在尺寸上的减少和数量上的增多，使得电池供电方式落后于科技的发展。目前，无线传感器的电源依旧主要使用化学电池，但由于化学电池的体积相对比较大，寿命有限，需要人为的更换才能保证无线传感器的正常工作，但在很多时候无线传感器节点被安装在有毒、辐射等恶劣环境中，更换电池极不方便。因此能量收集技术的研究就显得十分关键。
目前研究最多的环境振动能量采集方式有静电式、电磁式、压电式等，其中压电式的换能器由于其结构简单、无电磁干扰、运动部件少等优点倍受青睐。但目前压电式换能器的结构大多为悬臂梁式，而本身的固有频率较高，海浪等常见的环境振动频率较低，导致无法产生谐振，压电产生的电能较低。其原因在于，悬臂梁结构本身不能有很大的形变，因此悬臂梁的刚度就不能过小，端部质量块的质量也不能很大，否则悬臂梁有可能发生断裂或者塑性形变。因此很多研究学者提出了增加换能器谐振频率的方法并由于线性压电振子存在共振频率高和共振频率窄等缺点，在振动能量采集的应用中具有明显缺陷。双稳态结构由于外形比较小、反馈快、无摩擦、达到稳态耗能小等优点成为目前国内外振动能量采集技术研究新趋势。 可以看出，面向低频振动的振动能量收集器尚未成熟，因此，实践中需要一种解决上述问题的新的振动能量系统。
本发明公开了一种多方向的上变频波浪振动俘能装置。包括封闭外壳、两个带有圆形导轨的圆柱基座、金属球、轴承、光轴、圆环、驱动永磁体、和4个压电悬臂梁结构，其特征在于将轴承放入圆环的两面，通过光轴将两个圆柱基座与圆环相连接，圆柱基座的底面和顶面与封闭外壳相连。所述压电悬臂梁结构由尼龙螺帽、尼龙螺柱、L型支座、盖片、梁上永磁体和压电片构成，所述金属球放置于圆柱基座内，通过金属球在圆形导轨上的滚动带动圆环转动，而圆环上的驱动永磁体通过与压电片上的梁上永磁体的磁力作用使压电片振动输出电能。该装置可以将外界超低频振动能量通过压电效应转换成电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪能量的收集。
发明内容
本发明的目的：提出一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，通过金属球的滚动实现多方向的振动能量获取，并且通过金属球带动圆环上的驱动永磁体运动，通过压电片上的梁上永磁体和圆环上的驱动永磁体间的变频方式使得在外界激励频率较低的情况下，压电片所受到的频率更加接近固有频率，输出较多的电能。
为实现本发明，采用的技术方案是：一种多方向的上变频波浪振动俘能装置。包括封闭外壳、两个带有圆形导轨的圆柱基座、金属球、轴承、光轴、圆环、永磁体和4个压电悬臂梁结构，其特征在于将轴承放入圆环的两面，通过光轴将两个圆柱基座与圆环相连接，圆柱基座的底面和顶面与封闭外壳相连。所述压电悬臂梁结构由尼龙螺帽、尼龙螺柱、L型支座、盖片、梁上永磁体和压电片构成，所述金属球放置于圆柱基座内，通过金属球在圆形导轨上的滚动带动圆环转动，而圆环上的驱动永磁体通过与压电片上的梁上永磁体的磁力作用使压电片振动输出电能。该装置可以将外界超低频振动能量通过压电效应转换成电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪能量的收集。
本发明的有益效果：
1.通过金属球的滚动适应多方向的激励源。
2.在圆柱基座中增加圆形导轨，减小金属球与圆柱基座的接触面积从而减小摩擦保留更多的能量撞击圆环。
3.采用磁铁间的作用力将低频率的激励转换成较高频率的激励，使得压电片输出更多的电能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2位本发明内部结构左视图；
图3为本发明压电悬臂梁结构示意图；
图4为本发明激励运动装置示意图；
其中：1：封闭外壳；2：圆柱基座；3：压电悬臂梁；4：梁上永磁体；5：尼龙螺栓；6：L型支座；7：盖片；8：尼龙螺帽；9：圆环；10：压电片；11：金属球；12：轴承；13：光轴；14：圆形导轨;15：驱动永磁体。
具体实施方式
一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，包括封闭外壳（1）、两个圆柱基座（2）、压电悬臂梁（3）、圆环（9）、金属球（11）、轴承（12）、光轴（13）、圆形导轨（14）、驱动永磁体（15），其特征在于将两个圆柱基座（2）固定在外壳（1）的底板和顶板，驱动永磁体（15）安放在圆环（9）四周，并将轴承（12）和光轴（13）安装于圆环（9）中间的通孔内，通过光轴（13）与圆柱基座（2）中间通孔的连接将圆环（9）放置于圆柱基座（2）上，并将金属球（11）安放与圆柱基座（2）里，所述压电悬臂梁（3）结构由尼龙螺栓（5）、L型支座（6）、盖片（7）、尼龙螺帽（8）、梁上永磁体（4）和压电片（10）构成，环境振动激励使金属球（11）在圆柱基座（2）上滚动并带动圆环（9）的转动，使圆环（9）上的驱动永磁体（15）靠近压电片（10）的梁上永磁体（4），由于圆环（9）上的驱动永磁体（15）与压电片（10）的梁上永磁体（4）磁性相反使压电片（10）因为互斥力发生振动产生电能，该装置可以将外界超低频振动通过压电效应转换成电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪能量的收集。
工作原理：该装置利用金属球（11）在圆柱基座（2）导轨上的滚动从而撞击圆环（9），使圆环（9）转动，附着在圆环（9）上驱动永磁体（15）随着圆环（9）的转动靠近压电片（10），由于压电片（10）顶端也附着梁上永磁体（4），通过磁性作用带动压电片（10）发生形变，并且由于磁性作用能够变频从而实现了装置的上变频，将各压电片（10）的正负极用导线引出，后分别连接采集接口电路、叠加，从而实现超低频下振动能量的高效收集。
优选的，压电悬臂梁（3）采用尼龙螺栓（5）、L型支座（6）、盖片（7）、尼龙螺帽（8）、梁上永磁体（4）和压电片（10）构成，振动产生时，本身压电悬臂梁（3）结构上的压电片（10）会随着装置的振动以固有频率振动，并受到压电片（10）梁上永磁体（4）和圆环（9）上驱动永磁体（15）的互斥力的作用使压电片（10）振动频率升高。
优选的，金属球（11）作为装置的配重物和滚动机构，采用不锈钢材质，质量越大响应振动幅值越高。
优选的，光轴（13）作为轴穿过轴承（12）以及圆环（9）并与圆柱基座（2）相连接，光轴（13）采用不锈钢材质。
优选的，圆环（9）受到金属球（11）碰撞使圆环（9）转动并使圆环（9）上的驱动永磁体（15）靠近压电片（10）的梁上永磁体（4）。
优选的，为减小压电悬臂梁（3）电能损耗，压电片（10）采用尼龙螺帽（8）和尼龙螺栓（5）固定。
优选的，金属球（11）为在圆柱基座（2）上受到的摩擦力减小，在圆柱基座（2）上有圆形导轨（14），金属球（11）在圆柱基座（2）上的圆形导轨（14）内滚动。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，包括封闭外壳（1）、两个圆柱基座（2）、压电悬臂梁（3）、圆环（9）、金属球（11）、轴承（12）、光轴（13）、圆形导轨（14）、驱动永磁体（15），其特征在于将两个圆柱基座（2）固定在外壳（1）的底板和顶板，驱动永磁体（15）安放在圆环（9）四周，并将轴承（12）和光轴（13）安装于圆环（9）中间的通孔内，通过光轴（13）与圆柱基座（2）中间通孔的连接将圆环（9）放置于圆柱基座（2）上，并将金属球（11）安放与圆柱基座（2）里，所述压电悬臂梁（3）结构由尼龙螺栓（5）、L型支座（6）、盖片（7）、尼龙螺帽（8）、梁上永磁体（4）和压电片（10）构成，环境振动激励使金属球（11）在圆柱基座（2）上滚动并带动圆环（9）的转动，使圆环（9）上的驱动永磁体（15）靠近压电片（10）的梁上永磁体（4），由于圆环（9）上的驱动永磁体（15）与压电片（10）的梁上永磁体（4）磁性相反使压电片（10）因为互斥力发生振动产生电能，该装置可以将外界超低频振动通过压电效应转换成电能，适用于江、河、湖、海等水面波浪能量的收集。
2.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述压电悬臂梁（3）采用尼龙螺栓（5）、L型支座（6）、盖片（7）、尼龙螺帽（8）、梁上永磁体（4）和压电片（10）构成，振动产生时，本身压电悬臂梁（3）结构上的压电片（10）会随着装置的振动以固有频率振动，并受到压电片（10）梁上永磁体（4）和圆环（9）上驱动永磁体（15）的互斥力的作用使压电片（10）振动频率升高。
3.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述金属球（11）作为装置的配重物和滚动机构，采用不锈钢材质，质量越大响应振动幅值越高。
4.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述光轴（13）作为轴穿过轴承（12）以及圆环（9）并与圆柱基座（2）相连接，光轴（13）采用不锈钢材质。
5.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述圆环（9）受到金属球（11）碰撞使圆环（9）转动并使圆环（9）上的驱动永磁体（15）靠近压电片（10）的梁上永磁体（4）。
6.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述压电悬臂梁（3）为减小其电能损耗，压电片（10）采用尼龙螺帽（8）和尼龙螺栓（5）固定。
7.根据权利要求书1所述的一种多方向的上变频波浪振动俘能装置，其特征在于所述金属球（11）为在圆柱基座（2）上受到的摩擦力减小，在圆柱基座（2）上有圆形导轨（14），金属球（11）在圆柱基座（2）上的圆形导轨（14）内滚动。
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