CN113394941A - 一种电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁‑压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，解决现有装置无法在隔振的同时实现能量俘获的不足之处。本发明将准零刚度、压电、电磁进行结合，实现电磁‑压电混合式俘能与准零刚度隔振双重目标系统。该电磁‑压电混合式双效准零刚度振动俘能装置提供了优良的隔振性能，压电材料发电模块和电磁感应发电模块使本装置能够实现俘能的目的，即在具有优良隔振性能的同时将振动能量收集，转化为可以利用的电能。同时，俘能系统也对隔振系统有积极影响，俘能系统在振动过程中瞬时物理性质的改变使得隔振系统的性能在一定振动范围内更加优越。
Description
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种电磁-压电双效准零刚度振动俘能装置。
背景技术
在当前科学技术发展形势下，航空、航天、航海、机械制造等领域机械设备逐渐趋向于精密化、智能化，对工作环境的要求更高，因此具有低频隔振性能的准零刚度隔振器被广泛应用。
自二十世纪七十年代，能源、人口、环境、资源、粮食被列为世界五大问题，各国都非常注重能源的开发和利用。鉴于振动是广泛存在于振动机械环境中的清洁能源，各国学者也致力于将振动能量收集转化为可利用能源。隔振器的工作原理是将振动能量耗散或转移，现有在机械仪器上的传统隔振器的振动能量最终就是以内能的形式耗散掉，因此，如何将这些振动能量收集起来，以满足一些小型传感器，小型机械元部件或其他方面的用电需求，成为实现节能减排的重要命题之一。
根据目前振动能量转化为电能的不同转换机制，可以将振动能量收集系统分为五种类型：电磁式，压电式，磁致伸缩式，静电式和摩擦起电式。研究发现，现有的准零刚度隔振器在工作时隔振部件会有不可忽略的形变或位移，这其中的机械能尤其低频大幅振动时的机械能不可忽略，但现有振动俘能装置均基于单一振动转换原理，很难做到此类振动能量的收集，因此，有必要设计一种兼具隔离振动以及能量俘获的装置，以符合目前节能减排的大趋势。
发明内容
本发明的目的在于解决现有装置无法在隔振的同时实现能量俘获的不足之处，而提出一种电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置。
本发明的构思：
已有振动能量转化为电能的转换机制中，注意到压电式振动俘能有能量密度高、易与微电子元件集成、更为环保的优点；电磁式振动俘能采用非接触的工作方式具有阻尼相对较小，结构简单性能稳定的优点；同时结合压电材料的特性、电磁感应发电机的原理以及压电式与电磁式俘能方式具有较高的相容性这些特性，发明人拟将准零刚度、压电、电磁进行结合以解决目前存在的问题；当三者结合，隔振器工作时会使压电材料、磁感应装置的瞬时物理性质发生改变，又会反馈影响隔振器的隔振性能，在一定频率范围内俘能准零刚度隔振器的性能将会优于普通准零刚度隔振器，因此将三者有机结合是可行方案。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特殊之处在于：包括支撑单元、双重负刚度单元、正刚度组件、质量块、导电线圈以及压电俘能元件；
所述支撑单元包括第一刚性框架、第二刚性框架和承重杆；
所述双重负刚度单元包括串联的欧拉曲臂组件和磁悬浮组件；
所述第二刚性框架安装在第一刚性框架内，其内腔与第一刚性框架的底部构成安装空间，且第二刚性框架与第一刚性框架的中心线重合，以保证结构对称稳定和功能实现；
所述正刚度组件的一端固定在第一刚性框架的底部中心或者在底部中心的周边对称分布，保证结构对称稳定和功能实现，另一端与承重杆的一端连接；所述承重杆竖直设置在所述安装空间内，其另一端伸出第二刚性框架的顶部，与质量块连接；正刚度组件、承重杆以及质量块共同构成振动感应模块；
所述磁悬浮组件设置在所述安装空间内，与位于第二刚性框架内部侧壁上的导电线圈构成电磁感应发电模块，磁悬浮组件随振动感应模块上下往复运动，产生电能；
所述压电俘能元件设置在欧拉曲臂组件上，与欧拉曲臂组件共同构成压电材料发电模块；所述欧拉曲臂组件设置在振动感应模块和第一刚性框架上，随振动感应模块产生形变，带动压电俘能元件发生形变，产生电能。
进一步地，所述磁悬浮组件包括自上而下依次分布的第一永磁铁、第二永磁铁以及第三永磁铁；
其中，第一永磁铁和第三永磁铁固定设置在第二刚性框架内；第二永磁铁设置在第一永磁铁和第三永磁铁之间的承重杆上；
导电线圈设置在第一永磁铁和第三永磁铁之间的第二刚性框架侧壁上。
进一步地，所述正刚度组件为正刚度弹簧。采用正刚度地弹簧，结构稳定，为与双重负刚度机构的串联提供条件，正刚度弹簧为装置提供了较高的静刚度，减少了其在静止状态下的形变量；可以通过更换参数不同的弹簧来达到改变正刚度大小以适应不同质量的被隔振元件。
进一步地，所述第二刚性框架的顶部为底部开口的矩形框，其顶部中心设置有供承重杆穿过的通孔，所述通孔与正刚度弹簧在第一刚性框架的固定点位于同一铅垂线上。
进一步地，所述欧拉曲臂组件包括一根负刚度曲臂，该曲臂的中部固定在承重杆上，两端滑动连接在第一刚性框架相对的两个侧壁上(形成负刚度弹性元件，保证曲臂弯曲时的负刚度)，其上安装一个压电俘能元件。
所述第一刚性框架为U型框时，所述欧拉曲臂组件包括两根负刚度曲臂，两根负刚度曲臂对称设置在质量块的两侧，且每根曲臂的一端与质量块固连，另一端与第一刚性框架的侧壁固连，每根曲臂上安装一个压电俘能元件。
或者，所述第一刚性框架为U型框时，所述欧拉曲臂组件包括四根负刚度曲臂，四根负刚度曲臂两两一组对称设置在质量块的两侧，每根曲臂的一端与质量块固连，另一端与第一刚性框架的侧壁固连，且每组的两根曲臂相对设置，每根曲臂上安装一个压电俘能元件。
或者，所述第一刚性框架为立体框架时，所述欧拉曲臂组件包括四根负刚度曲臂，四根负刚度曲臂对称设置在质量块的四个侧面，且每根曲臂的一端与质量块固连，另一端与第一刚性框架的侧壁固连，每根曲臂上安装一个压电俘能元件。
或者，所述第一刚性框架为立体框架时，所述欧拉曲臂组件包括八根负刚度曲臂，八根负刚度曲臂两两一组对称设置在质量块的四个侧面，每根曲臂的一端与质量块固连，另一端与第一刚性框架的侧壁固连，且每组的两根曲臂相对设置，每根曲臂上安装一个压电俘能元件。
上述负刚度曲臂的个数和安装位置及安装形式均与第一刚性框架的结构及需求有关，无论是哪种形式，应确保对称分布设置。
本发明的优点是：
1.本发明将准零刚度隔振系统与俘能系统结合，实现电磁-压电混合式俘能与准零刚度隔振双重目标系统。该电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置提供了优良的隔振性能，压电材料发电模块和电磁感应发电模块使本装置能够实现俘能的目的，即在具有优良隔振性能的同时将振动能量收集，转化为可以利用的电能。同时，俘能系统也对隔振系统有积极影响，俘能系统在振动过程中瞬时物理性质的改变使得隔振系统的性能在一定振动范围内更加优越。
2.本发明装置中，隔振系统与俘能系统存在相互作用，即以隔振系统为基础的俘能系统在俘能过程中由于自身物理性质的改变也会影响隔振系统的性能，因此通过调整各部分的参数可有效提高装置的隔振性能与俘能效率，从而产生一加一大于二的效果。
3.本发明装置具有隔振频带宽，结构简单，稳定、实用、可靠性高的特点，与其他元件的联系更加多元，应用方式更加多样。
4.本发明包括但不仅限于应用在机电系统，机械加工，智能机械设计，医疗，武器装备，精密仪器领域，也可应用在航空航天航海等多个领域中的复杂仪器系统中作为隔振部件的同时，作为自供能微电源为某些微电子元件供能以摆脱对传统外部电源的依赖。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
附图标号如下：
1-质量块，2-承重杆，3-曲臂，4-第二永磁铁，5-第二刚性框架，6-第一刚性框架，7-正刚度组件，8-导电线圈，9-第一永磁铁，10-第三永磁铁，11-压电俘能元件，12-通孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1所示，一种电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，包括支撑单元、双重负刚度单元、正刚度组件7、质量块1、导电线圈8以及压电俘能元件11。
支撑单元包括第一刚性框架6、第二刚性框架5和承重杆2；第一刚性框架6为顶部开口的U型框，第二刚性框架5为底部开口的矩形框，第二刚性框架5安装在第一刚性框架6内，其内腔与第一刚性框架6的底部构成安装空间，且第二刚性框架5与第一刚性框架6的中心线重合；本实施例中正刚度组件7采用正刚度弹簧，其一端固定在第一刚性框架6的底部中心，另一端与承重杆2的一端连接；承重杆2竖直设置在安装空间内，其另一端伸出第二刚性框架5顶部的通孔12，与质量块1连接。其中，通孔12与正刚度弹簧在第一刚性框架6上的固定点位于同一铅垂线上，以确保正刚度弹簧仅竖直伸缩，而不可水平平移。
双重负刚度单元由欧拉曲臂3组件和磁悬浮组件两部分串联而成；其中，磁悬浮组件包括自上而下依次分布的第一永磁铁9、第二永磁铁4以及第三永磁铁10；其中，第一永磁铁9和第三永磁铁10固定设置在第二刚性框架5内；第二永磁铁4设置在第一永磁铁9和第三永磁铁10之间的承重杆2上，可随承重杆2在竖直方向往复运动，第二永磁铁4与上下两个永磁铁之间的距离不断发生变化，磁力也不断变化，表现出负刚度的特征；导电线圈8设置在第一永磁铁9和第三永磁铁10之间的第二刚性框架5侧壁上。
欧拉曲臂3组件包括一根负刚度曲臂3，该曲臂3的中部固定在承重杆2上，两端滑动连接在第一刚性框架6相对的两个侧壁上，其上安装一个压电俘能元件11；当振动发生时，承重杆2随所承物竖直方向振动，带动与其相连的曲臂3发生形变，使其瞬时力学特征不断改变，表现出一种负刚度的特征。
其中，正刚度组件7、承重杆2以及质量块1共同构成振动感应模块；磁悬浮组件和导电线圈8构成电磁感应发电模块；压电俘能元件11与欧拉曲臂3组件共同构成压电材料发电模块。
本发明将准零刚度隔振系统、压电式振动能量收集技术与电磁式振动能量收集技术结合，共同实现俘能目的。
其中，压电式振动能量收集技术是指利用压电材料的正压电效应将机械能转化为可利用电能的技术，当对压电材料施加物理压力时，材料体内电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这种变化会在材料相对的表面上产生等量正负感应电荷，以期保持原状，从而在上下电极表面之间产生了电势差。此时若通过外部电路将感生电荷导出，使其对外接负载做功，则由此完成了机械能向电能的转换。本发明中，当外界激励通过质量块1或第一刚性框架6传递到曲臂3上时，曲臂3在自身重力和竖向的作用力的牵引下发生弯曲和形变，带动附在其上的压电俘能元件11发生应变产生压电效应，此时即可将部分振动能量转化为电能实现俘能的目的。
电磁式振动能量收集技术是指以法拉第电磁感应定律为原理的将机械能转化为可利用电能的技术，其组成部分主要有永磁体和感应线圈两部分，当存在外界振动激励时，永磁体和感应线圈之间发生相对运动。此时感应线圈切割磁感线，线圈中会产生感应电动势。本发明中，当振动发生时，悬浮的第一永磁铁9上下振动导致空间内磁场不断变化，使得导电线圈8不断切割磁感线产生感应电动势，以此将振动能量转化为电能实现俘能的目的。
准零刚度隔振系统由上述的双重负刚度单元和正刚度组件7实现的。该双重负刚度单元可以通过改变不同参数的曲臂3与磁铁改变负刚度特性，可以有效的降低隔振器的固有频率，拓宽其隔振频带，提高装置在各个振动频率尤其低频频带的隔振性能与应用价值；其与正刚度机构并联满足了高静刚度低动刚度的隔振要求。通过调整双重负刚度单元和正刚度组件7的正负刚度比可以使系统在平衡位置附近的动刚度降低或刚度为零，同时保持系统的承载能力，使隔振器有更低的隔振频率和更宽的隔振频带，从而实现准零刚度。
实施例2
结构如图2所示，与实施例1的不同之处在于：欧拉曲臂3组件包括两根负刚度曲臂3，两根负刚度曲臂3对称设置在质量块1的两侧，且每根曲臂3的一端与质量块1固连，另一端与第一刚性框架6的侧壁固连，每个曲臂3上安装一个压电俘能元件11。
实施例3
结构如图3所示，与实施例1的不同之处在于：欧拉曲臂3组件包括四根负刚度曲臂3，四根负刚度曲臂3两两一组对称设置在质量块1的两侧，每根曲臂3的一端与质量块1固连，另一端与第一刚性框架6的侧壁固连，且每组中的两根曲臂3相对设置，每根曲臂3上安装一个压电俘能元件11。
综上所述，本发明为基于电磁式和压电式能量转化机制的复合式振动能量收集与准零刚度隔振双效的一种可行结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：包括支撑单元、双重负刚度单元、正刚度组件(7)、质量块(1)、导电线圈(8)以及压电俘能元件(11)；
所述支撑单元包括第一刚性框架(6)、第二刚性框架(5)和承重杆(2)；
所述双重负刚度单元包括欧拉曲臂(3)组件和磁悬浮组件；
所述第二刚性框架(5)安装在第一刚性框架(6)内，其内腔与第一刚性框架(6)的底部构成安装空间，且第二刚性框架(5)与第一刚性框架(6)的中心线重合；
所述正刚度组件(7)的一端固定在第一刚性框架(6)的底部中心，另一端与承重杆(2)的一端连接；所述承重杆(2)竖直设置在所述安装空间内，其另一端伸出第二刚性框架(5)的顶部，与质量块(1)连接；正刚度组件(7)、承重杆(2)以及质量块(1)共同构成振动感应模块；
所述磁悬浮组件设置在所述安装空间内，与位于第二刚性框架(5)内部侧壁上的导电线圈(8)构成电磁感应发电模块，磁悬浮组件随振动感应模块上下往复运动，产生电能；
所述压电俘能元件(11)设置在欧拉曲臂(3)组件上，与欧拉曲臂(3)组件共同构成压电材料发电模块；所述欧拉曲臂(3)组件设置在振动感应模块和第一刚性框架(6)上，随振动感应模块产生形变，带动压电俘能元件(11)发生形变，产生电能。
2.根据权利要求1所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述磁悬浮组件包括自上而下依次分布的第一永磁铁(9)、第二永磁铁(4)以及第三永磁铁(10)；
其中，第一永磁铁(9)和第三永磁铁(10)固定设置在第二刚性框架(5)内；第二永磁铁(4)设置在第一永磁铁(9)和第三永磁铁(10)之间的承重杆(2)上；
导电线圈(8)设置在第一永磁铁(9)和第三永磁铁(10)之间的第二刚性框架(5)侧壁上。
3.根据权利要求2所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述正刚度组件(7)为正刚度弹簧。
4.根据权利要求3所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第二刚性框架(5)为底部开口的矩形框，其顶部中心设置有供承重杆(2)穿过的通孔(12)，所述通孔(12)与正刚度弹簧在第一刚性框架(6)的固定点位于同一铅垂线上。
5.根据权利要求4所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第一刚性框架(6)为U型框或立体框架。
6.根据权利要求5所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述欧拉曲臂(3)组件包括一根负刚度曲臂(3)，该曲臂(3)的中部固定在承重杆(2)上，两端滑动连接在第一刚性框架(6)相对的两个侧壁上，其上安装一个压电俘能元件(11)。
7.根据权利要求5所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第一刚性框架(6)为U型框时，所述欧拉曲臂(3)组件包括两根负刚度曲臂(3)，两根负刚度曲臂(3)对称设置在质量块(1)的两侧，且每根曲臂(3)的一端与质量块(1)固连，另一端与第一刚性框架(6)的侧壁固连，每根曲臂(3)上安装一个压电俘能元件(11)。
8.根据权利要求5所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第一刚性框架(6)为U型框时，所述欧拉曲臂(3)组件包括四根负刚度曲臂(3)，四根负刚度曲臂(3)两两一组对称设置在质量块(1)的两侧，每根曲臂(3)的一端与质量块(1)固连，另一端与第一刚性框架(6)的侧壁固连，且每组的两根曲臂(3)相对设置，每根曲臂(3)上安装一个压电俘能元件(11)。
9.根据权利要求5所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第一刚性框架(6)为立体框架时，所述欧拉曲臂(3)组件包括四根负刚度曲臂(3)，四根负刚度曲臂(3)对称设置在质量块(1)的四个侧面，且每根曲臂(3)的一端与质量块(1)固连，另一端与第一刚性框架(6)的侧壁固连，每根曲臂(3)上安装一个压电俘能元件(11)。
10.根据权利要求5所述电磁-压电混合式双效准零刚度振动俘能装置，其特征在于：
所述第一刚性框架(6)为立体框架时，所述欧拉曲臂(3)组件包括八根负刚度曲臂(3)，八根负刚度曲臂(3)两两一组对称设置在质量块(1)的四个侧面，每根曲臂(3)的一端与质量块(1)固连，另一端与第一刚性框架(6)的侧壁固连，且每组的两根曲臂(3)相对设置，每根曲臂(3)上安装一个压电俘能元件(11)。
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