CN114039509A - 双稳态压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双稳态压电能量收集装置，固定杆的两端分别连接矩形上基板和矩形下基板；第一负刚度弹性组件设置在矩形上基板远离固定杆的一端，第二负刚度弹性组件设置在矩形下基板的一端；悬臂梁的一端设置固定杆的中部位置处，悬臂梁的另一端夹设在第一负刚度弹性组件和第二负刚度弹性组件之间；压电元件设置在悬臂梁上靠近固定杆的一端；第一波形弹簧设置在第一负刚度弹性组件内，第二波形弹簧设置在第二负刚度弹性组件内。本发明结构简单，引入负刚度弹性组件的方法实现双稳态特性，相比常见双稳态压电能量收集装置更易突破非线性势阱的限制，工作效率更高，实用性更强。
Description
技术领域
本发明涉及压电能量收集技术领域，具体地，涉及一种双稳态压电能量收集装置，尤其是一种结合负刚度弹性组件的双稳态压电能量收集装置。
背景技术
随着化石能源的枯竭和清洁可再生能源的发展，作为绿色能源之一的振动能量受到了越来越多的关注。振动能量具有分布范围广、可持续、绿色环保等优点并可满足各种功率段的微机电产品的供能需求。利用压电材料设计的高效率的振动能量采集装置仍是目前主流的振动能量俘获方式之一。压电式振动能量收集装置具备成本低廉、结构简单等优势受到国内外学者及企业的广泛关注。
常见的压电能量收集装置中的俘能单元是基于线性特性的悬臂梁结构。公开号为CN108365775B的专利文献公开了一种多方向振动压电能量收集装置，包括固定装置、振动质量块、四个压电振子及储能元件，振动质量块通过弹簧安装在固定装置的底板上或/和顶板上；所述的压电振子呈T形或L形，压电振子的竖梁和横梁上分别设有压电片，压电片在每根竖梁和横梁的所固定处根部设置；四个压电振子的横梁分别通过紧固夹具与振动质量块连接，四个压电振子位于振动质量块外侧；压电振子的压电片通过导线与储能元件连接。但是该专利文献在实际应用中受限于其工作频带较窄等缺陷，难以实用化。
为了拓宽线性压电能量收集装置工作带宽，并提高压电能量收集装置在实际环境中的输出功率，更多的研究团队通过引入非线性力的方式提出了双稳态压电能量收集装置。公开号为CN106953545A的专利文献公开了一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置，包括一个或一个以上的矩形板状的压电能量收集单元，以及夹持压电能量收集单元的边缘并向压电能量收集单元提供向心压缩力的夹具；压电能量收集单元包括一矩形板状的柔性矩形板，以及贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件。公开号为CN201854207U的专利文献公开了一种双稳态结构式压电能量收集装置,构成包括固定底座和设置在固定底座上的固定支座,固定支座上设有经固定盖连接的悬臂梁,悬臂梁的表面设有压电片,悬臂梁的悬空端部设有横向的永久磁铁,永久磁铁两端均设有与该端极性相同的磁条；在压电片和永久磁铁之间设有可移动质量块。但是上述专利文献在工作过程中，特别是当外界激励较弱时，这类通过引入非线性力实现双稳态特性的能量收集装置难以克服非线性力产生的势垒而局限于单个势阱的小幅振动，降低了其工作效率和工作带宽。
公开号为CN208316598U的专利文献公开了一种压电能量收集装置，包括：基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层。但是该专利文献仍然存在受限于工作带宽的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双稳态压电能量收集装置。
根据本发明提供的一种双稳态压电能量收集装置，包括固定支架、负刚度弹性组件、悬臂梁、压电元件以及波形弹簧；
所述固定支架包括矩形上基板、矩形下基板以及固定杆；所述固定杆的两端分别连接所述矩形上基板和所述矩形下基板；
负刚度弹性组件包括第一负刚度弹性组件和第二负刚度弹性组件；所述第一负刚度弹性组件设置在所述矩形上基板远离所述固定杆的一端，所述第二负刚度弹性组件设置在所述矩形下基板的一端；
所述悬臂梁的一端设置所述固定杆的中部位置处，所述悬臂梁的另一端夹设在所述第一负刚度弹性组件和所述第二负刚度弹性组件之间；
所述压电元件设置在所述悬臂梁上靠近所述固定杆的一端；
所述波形弹簧包括第一波形弹簧和第二波形弹簧；所述第一波形弹簧设置在所述第一负刚度弹性组件内，所述第二波形弹簧设置在所述第二负刚度弹性组件内。
优选的，所述第一负刚度弹性组件包括第一薄壁圆台、第一圆饼形永磁铁以及第一圆环形永磁铁；所述第一薄壁圆台中空设置；
所述矩形上基板远离所述固定杆的一端设置在所述第一薄壁圆台的大端面外侧；
所述第一圆饼形永磁铁设置在所述第一薄壁圆台的小端面内侧，所述第一圆环形永磁铁设置在所述第一薄壁圆台的大端面内侧；
所述第一圆饼形永磁铁与所述第一圆环形永磁铁的中心在同一竖直线，且所述第一圆饼形永磁铁的直径尺寸小于所述第一圆环形永磁铁内侧圆环直径尺寸；
所述第一波形弹簧沿竖直方向设置在所述第一薄壁圆台的大端面内侧的中心位置处。
优选的，所述第二负刚度弹性组件包括第二薄壁圆台、第二圆饼形永磁铁以及第二圆环形永磁铁；所述第二薄壁圆台中空设置；
所述矩形下基板远离所述固定杆的一端设置在所述第二薄壁圆台的大端面外侧；
所述第二圆饼形永磁铁设置在所述第二薄壁圆台的小端面内侧，所述第二圆环形永磁铁设置在所述第二薄壁圆台的大端面内侧；
所述第二圆饼形永磁铁与所述第二圆环形永磁铁的中心在同一竖直线，且所述第二圆饼形永磁铁的直径尺寸小于所述第二圆环形永磁铁内侧圆环直径尺寸；
所述第二波形弹簧沿竖直方向设置在所述第二薄壁圆台的大端面内侧的中心位置处；
所述第一薄壁圆台的小端面和所述第二薄壁圆台的小端面相对设置，所述悬臂梁远离所述固定杆的一端位于所述第一薄壁圆台的小端面和所述第二薄壁圆台的小端面之间。
优选的，所述第一圆饼形永磁铁与所述第一圆环形永磁铁相对面的磁极性相异；
所述第二圆饼形永磁铁与所述第二圆环形永磁铁相对面的磁极性相异。
优选的，所述第一圆饼形永磁铁、所述第二圆饼形永磁铁、所述第一圆环形永磁铁以及所述第二圆环形永磁铁均采用钕铁硼永磁铁。
优选的，所述第一薄壁圆台和所述第二薄壁圆台均采用聚二甲基硅氧烷制作。
优选的，所述压电元件选用压电陶瓷或柔性压电元聚偏氟乙烯。
优选的，所述悬臂梁采用铜合金制作。
优选的，所述矩形下基板、所述矩形上基板以及所述固定杆均采用铝合金或不锈钢制作。
优选的，所述第一波形弹簧和第二波形弹簧均采用不锈钢制作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明属于双稳态压电能量收集装置，通过引入负刚度弹性组件增加了能量收集装置的工作效率并拓宽了能量收集装置的工作频带；
2、本发明所设计的能量收集装置在工作过程中具有多阶段刚度变化特性，相比常见双稳态压电能量收集装置更易突破非线性势阱的限制从而实现大幅度阱间运动，显著提高了非线性能量收集装置的工作效率和实用性；
3、本发明结构简单，实用性强，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集，通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下实现低功耗器件的自供电，是一种绿色能源。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的双稳态压电能量收集装置的整体结构示意图；
图2为本发明的双稳态压电能量收集装置的局部结构示意图。
图中示出：
矩形上基板1 第二薄壁圆台501
矩形下基板2 第二圆饼形永磁铁502
固定杆3 第二圆环形永磁铁503
第一负刚度弹性组件4 悬臂梁6
第一薄壁圆台401 压电元件7
第一圆饼形永磁铁402 第一波形弹簧8
第一圆环形永磁铁403 第二波形弹簧9
第二负刚度弹性组件5
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供一种双稳态压电能量收集装置，包括固定支架、负刚度弹性组件、悬臂梁6、压电元件7以及波形弹簧。固定支架包括矩形上基板1、矩形下基板2以及固定杆3，固定杆3的两端分别连接矩形上基板1和矩形下基板2，负刚度弹性组件包括第一负刚度弹性组件4和第二负刚度弹性组件5，第一负刚度弹性组件4设置在矩形上基板1远离固定杆3的一端，第二负刚度弹性组件5设置在矩形下基板2的一端，悬臂梁6的一端设置固定杆3的中部位置处，悬臂梁6的另一端夹设在第一负刚度弹性组件4和第二负刚度弹性组件5之间，压电元件7设置在悬臂梁6上靠近固定杆3的一端，波形弹簧包括第一波形弹簧8和第二波形弹簧9，第一波形弹簧8设置在第一负刚度弹性组件4内，第二波形弹簧9设置在第二负刚度弹性组件5内。
压电元件7选用压电陶瓷或柔性压电元聚偏氟乙烯。悬臂梁6采用铜合金制作。矩形下基板2、矩形上基板1以及固定杆3均采用铝合金或不锈钢制作。第一波形弹簧8和第二波形弹簧9均采用不锈钢制作。
第一负刚度弹性组件4包括第一薄壁圆台401、第一圆饼形永磁铁402以及第一圆环形永磁铁403。第一薄壁圆台401中空设置，矩形上基板1远离固定杆3的一端设置在第一薄壁圆台401的大端面外侧，第一圆饼形永磁铁402设置在第一薄壁圆台401的小端面内侧，第一圆环形永磁铁403设置在第一薄壁圆台401的大端面内侧，第一圆饼形永磁铁402与第一圆环形永磁铁403的中心在同一竖直线，且第一圆饼形永磁铁402的直径尺寸小于第一圆环形永磁铁403内侧圆环直径尺寸，第一波形弹簧8沿竖直方向设置在第一薄壁圆台401的大端面内侧的中心位置处。
第二负刚度弹性组件5包括第二薄壁圆台501、第二圆饼形永磁铁502以及第二圆环形永磁铁503；第二薄壁圆台501中空设置。矩形下基板2远离固定杆3的一端设置在第二薄壁圆台501的大端面外侧，第二圆饼形永磁铁502设置在第二薄壁圆台501的小端面内侧，第二圆环形永磁铁503设置在第二薄壁圆台501的大端面内侧，第二圆饼形永磁铁502与第二圆环形永磁铁503的中心在同一竖直线，且第二圆饼形永磁铁502的直径尺寸小于第二圆环形永磁铁503内侧圆环直径尺寸，第二波形弹簧9沿竖直方向设置在第二薄壁圆台501的大端面内侧的中心位置处，第一薄壁圆台401的小端面和第二薄壁圆台501的小端面相对设置，悬臂梁6远离固定杆3的一端位于第一薄壁圆台401的小端面和第二薄壁圆台501的小端面之间。
第一圆饼形永磁铁402与第一圆环形永磁铁403相对面的磁极性相异，第二圆饼形永磁铁502与第二圆环形永磁铁503相对面的磁极性相异。第一圆饼形永磁铁402、第二圆饼形永磁铁502、第一圆环形永磁铁403以及第二圆环形永磁铁503均采用钕铁硼永磁铁。第一薄壁圆台401和第二薄壁圆台501均采用聚二甲基硅氧烷制作。
工作原理：
通过装置内悬臂梁振动使压电元件受到应变产生电能。在工作过程中利用负刚度弹性组件提供的收缩力平衡悬臂梁自身的回复力实现压电能量收集装置的双稳态特性。负刚度弹性组件以及波形弹簧在悬臂梁运动的过程中提供了阶段变化的外力，使所设计的能量收集装置具有多阶段刚度变化特性，有助于悬臂梁维持在双稳态阱间运动，提高了所设计装置的实用性。此外波形弹簧在悬臂梁运动过程中起到了限位作用，防止能量收集装置的刚性碰撞从而提高装置整体的可靠性。
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种结合负刚度弹性组件的双稳态压电能量收集装置，包括有固定支架、负刚度弹性组件、悬臂梁6、压电元件7以及波形弹簧。
固定支架包括矩形下基板2、矩形上基板1以及连接矩形上基板1与矩形下基板2的固定杆3。固定杆3中段设有经螺栓固接的悬臂梁6，悬臂梁6固定端至悬臂梁6中段的上表面和下表面均匀粘接压电元件7。
压电元件7可选用压电陶瓷PZT或柔性压电元件7聚偏氟乙烯(PVDF)。悬臂梁6采用铜合金等弹性好且不导磁的金属材料制作。固定支架包括矩形下基板2、矩形上基板1以及固定杆3，固定支架中包括的所有元件均采用铝合金或不锈钢等不导磁金属材料制造。
负刚度弹性组件包括薄壁圆台、圆饼形永磁铁以及圆环形永磁铁。负刚度弹性组件的主体结构是内部中空的薄壁圆台，薄壁圆台的小端面内侧设有圆饼形永磁铁，薄壁圆台的大端面内侧设有圆环形永磁铁，圆饼形永磁铁与圆环形永磁铁的中心在同一竖直线，且圆饼形永磁铁的直径尺寸小于圆环形永磁铁内侧圆环直径尺寸。负刚度弹性组件中的薄壁圆台大端面内侧中心处，沿竖直方向设有波形弹簧。圆饼形永磁铁与圆环形永磁铁相对面的磁极性相异。
矩形上基板1下表面通过负刚度弹性组件竖直连接悬臂梁6自由端上表面，矩形下基板2上表面通过负刚度弹性组件竖直连接悬臂梁6自由端下表面。负刚度弹性组件中的薄壁圆台大端面外侧与矩形上基板1或矩形下基板2固接，负刚度弹性组件中的薄壁圆台小端面外侧与悬臂梁6自由端接触。
负刚度弹性组件中的薄壁圆台大端面外侧与矩形上基板1下表面固接，负刚度弹性元件中的薄壁圆台大端面外侧与矩形下基板2上表面固接，负刚度弹性组件中的薄壁圆台小端面外侧与悬臂梁6自由端上表面接触，负刚度弹性组件中的薄壁圆台小端面外侧与悬臂梁6自由端下表面接触。
波形弹簧采用不锈钢等不导磁金属材料制造。圆饼形永磁铁和圆环形永磁铁采用钕铁硼永磁铁。负刚度弹性组件中的薄壁圆台采用聚二甲基硅氧烷等弹性较好的聚合物材料制造。
本实施例提供的双稳态压电能量收集装置的原理是通过装置内悬臂梁6振动使压电元件7受到应变产生电能。在工作过程中利用负刚度弹性组件提供的收缩力平衡悬臂梁6自身的回复力实现压电能量收集装置的双稳态特性。负刚度弹性组件以及波形弹簧在悬臂梁6运动的过程中提供了阶段变化的外力，使所设计的能量收集装置具有多阶段刚度变化特性，有助于悬臂梁6维持在双稳态阱间运动，提高了所设计装置的实用性。此外波形弹簧在悬臂梁6运动过程中起到了限位作用，防止能量收集装置的刚性碰撞从而提高装置整体的可靠性。
为了解决现有常见双稳态压电能量收集装置在低激励条件下易于局限在单个势阱内而降低工作效率和工作带宽的缺陷，本发明通过引入负刚度弹性组件的方法构建双稳态压电能量收集装置，利用负刚度弹性元件提供的收缩力平衡悬臂梁6自身的回复力实现压电能量收集装置的双稳态特性，提高了压电能量收集装置的工作效率。本发明所设计的能量收集装置在工作过程中具有多阶段刚度变化特性，相比常见的双稳态压电能量收集装置更易实现大幅度阱间运动，显著提高了非线性能量收集装置的工作效率。本发明还通过负刚度弹性组件内的波形弹簧在悬臂梁6运动过程中起到了限位作用，防止能量收集装置的刚性碰撞从而提高装置整体的可靠性，波形弹簧同时有助于悬臂梁6维持在双稳态阱间运动，进一步提高了所设计装置的实用性。本发明结构简单，所设计的能量收集装置创新性引入负刚度弹性组件的方法实现双稳态特性，相比常见双稳态压电能量收集装置更易突破非线性势阱的限制，工作效率更高，实用性更强。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种双稳态压电能量收集装置，其特征在于，包括固定支架、负刚度弹性组件、悬臂梁(6)、压电元件(7)以及波形弹簧；
所述固定支架包括矩形上基板(1)、矩形下基板(2)以及固定杆(3)；所述固定杆(3)的两端分别连接所述矩形上基板(1)和所述矩形下基板(2)；
负刚度弹性组件包括第一负刚度弹性组件(4)和第二负刚度弹性组件(5)；所述第一负刚度弹性组件(4)设置在所述矩形上基板(1)远离所述固定杆(3)的一端，所述第二负刚度弹性组件(5)设置在所述矩形下基板(2)的一端；
所述悬臂梁(6)的一端设置所述固定杆(3)的中部位置处，所述悬臂梁(6)的另一端夹设在所述第一负刚度弹性组件(4)和所述第二负刚度弹性组件(5)之间；
所述压电元件(7)设置在所述悬臂梁(6)上靠近所述固定杆(3)的一端；
所述波形弹簧包括第一波形弹簧(8)和第二波形弹簧(9)；所述第一波形弹簧(8)设置在所述第一负刚度弹性组件(4)内，所述第二波形弹簧(9)设置在所述第二负刚度弹性组件(5)内。
2.根据权利要求1所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第一负刚度弹性组件(4)包括第一薄壁圆台(401)、第一圆饼形永磁铁(402)以及第一圆环形永磁铁(403)；所述第一薄壁圆台(401)中空设置；
所述矩形上基板(1)远离所述固定杆(3)的一端设置在所述第一薄壁圆台(401)的大端面外侧；
所述第一圆饼形永磁铁(402)设置在所述第一薄壁圆台(401)的小端面内侧，所述第一圆环形永磁铁(403)设置在所述第一薄壁圆台(401)的大端面内侧；
所述第一圆饼形永磁铁(402)与所述第一圆环形永磁铁(403)的中心在同一竖直线，且所述第一圆饼形永磁铁(402)的直径尺寸小于所述第一圆环形永磁铁(403)内侧圆环直径尺寸；
所述第一波形弹簧(8)沿竖直方向设置在所述第一薄壁圆台(401)的大端面内侧的中心位置处。
3.根据权利要求2所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第二负刚度弹性组件(5)包括第二薄壁圆台(501)、第二圆饼形永磁铁(502)以及第二圆环形永磁铁(503)；所述第二薄壁圆台(501)中空设置；
所述矩形下基板(2)远离所述固定杆(3)的一端设置在所述第二薄壁圆台(501)的大端面外侧；
所述第二圆饼形永磁铁(502)设置在所述第二薄壁圆台(501)的小端面内侧，所述第二圆环形永磁铁(503)设置在所述第二薄壁圆台(501)的大端面内侧；
所述第二圆饼形永磁铁(502)与所述第二圆环形永磁铁(503)的中心在同一竖直线，且所述第二圆饼形永磁铁(502)的直径尺寸小于所述第二圆环形永磁铁(503)内侧圆环直径尺寸；
所述第二波形弹簧(9)沿竖直方向设置在所述第二薄壁圆台(501)的大端面内侧的中心位置处；
所述第一薄壁圆台(401)的小端面和所述第二薄壁圆台(501)的小端面相对设置，所述悬臂梁(6)远离所述固定杆(3)的一端位于所述第一薄壁圆台(401)的小端面和所述第二薄壁圆台(501)的小端面之间。
4.根据权利要求3所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第一圆饼形永磁铁(402)与所述第一圆环形永磁铁(403)相对面的磁极性相异；
所述第二圆饼形永磁铁(502)与所述第二圆环形永磁铁(503)相对面的磁极性相异。
5.根据权利要求3所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第一圆饼形永磁铁(402)、所述第二圆饼形永磁铁(502)、所述第一圆环形永磁铁(403)以及所述第二圆环形永磁铁(503)均采用钕铁硼永磁铁。
6.根据权利要求3所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第一薄壁圆台(401)和所述第二薄壁圆台(501)均采用聚二甲基硅氧烷制作。
7.根据权利要求1所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述压电元件(7)选用压电陶瓷或柔性压电元聚偏氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(6)采用铜合金制作。
9.根据权利要求1所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述矩形下基板(2)、所述矩形上基板(1)以及所述固定杆(3)均采用铝合金或不锈钢制作。
10.根据权利要求1所述的双稳态压电能量收集装置，其特征在于，所述第一波形弹簧(8)和第二波形弹簧(9)均采用不锈钢制作。
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