CN114204846A - 一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，能量收集器，包括框架、磁体质量块和压电双晶片，压电双晶片的两端与框架连接，磁体质量块套设于压电双晶片上且能够在压电双晶片上滑动；框架在压电双晶片中心的两侧位置对称设有第一磁体和第二磁体，磁体质量块与第一磁体以及与第二磁体相互吸引，框架内侧和磁体质量块的间距为限幅间距。本发明具有非线性振动的特点，合理控制磁力大小和限幅间距能够使系统达到三稳态，将大幅拓展谐振频带，因此在较宽频带有大幅压电输出，适应环境随机宽频的振动特点。同时本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器结构紧凑，可提升压电振动发电功率密度。
Description
技术领域
本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器。
背景技术
输电线路微风振动取能可用于驱动无线传感节点，以保障电网健康监测自供电的可持续性。由于风速变化范围大，振动频率范围也宽，适用于振动能量收集的频带可达50-150Hz的超宽频。压电振动能量收集器振动时，压电材料形变产生电荷发电，在谐振频率点激励时压电材料形变最大，压电发电功率最大。然而，线性振动的谐振频带很窄，如何拓宽谐振频带，实现非谐振区间也能谐振发电成为研究重点。理论表明滑动质量引起简支梁刚度变化可自动调节谐振频率，而磁力和碰撞引起的非线性振动可实现拓频谐振。然而，单独调频或非线性拓频技术只能使频带拓宽20％以内，无法实现更宽频率的谐振。因此，综合调频和拓频技术，引入非线性力实现多稳态是常用的拓频方法，如磁力、限幅力、静电力、轴向力等。其中引入磁力是最为有效和容易操控的方法。然而，引入磁力实现三稳态结构复杂，不利于小型化紧凑设计。轴向力调频、变质量、变刚度调频是主要的调频手段，然而封装结构不易改变系统质量和刚度，轴向力调频占用体积过大。最后，还需要设计限幅器对压电梁进行限幅保护，限幅器的碰撞拓频效果也应加以利用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，本发明能够实现三稳态非线性振动拓频，同时结构紧凑。
本发明采用的技术方案如下：
一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，包括框架、磁体质量块和压电双晶片，压电双晶片的两端与框架连接，磁体质量块套设于压电双晶片上且能够在压电双晶片上滑动；框架在压电双晶片中心的两侧位置对称设有第一磁体和第二磁体，磁体质量块与第一磁体以及与第二磁体相互吸引，框架内侧和磁体质量块的间距为限幅间距。
优选的，压电双晶片的两端与框架铰连接。
优选的，框架上开设有凹槽，压电双晶片端部插入所述凹槽内，框架与压电双晶片端部通过所述凹槽实现铰连接。
优选的，磁体质量块包括质量块本体以及设置于质量块本体中心的永磁体。
优选的，第一磁体采用永磁体或者磁性材料。
优选的，第二磁体采用永磁体或者磁性材料。
优选的，磁体质量块的中心开设有中心孔，磁体质量块通过所述中心孔套设于压电双晶片上，所述中心孔与压电双晶片之间为间隙配合。
本发明所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器的工作方法，包括如下过程：
当可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器受到环境激振时，磁体质量块能够在压电双晶片上滑动并移动到谐振位置，使可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器工作于谐振频率下；同时，第一磁体和第二磁体对磁体质量块的吸引磁力随振幅而变化，框架对压电双晶片进行限幅。
本发明具有如下有益效果：
本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器中，磁体质量块能够在压电双晶片上滑动，因此当环境激振频率改变时，滑动质量能够主动改变位置，主动改变谐振频率适应环境激振频率。由于框架上设置的第一磁体和第二磁体对磁体质量块的吸引磁力随振幅而变化，同时框架也有限幅振动作用，因此系统具有非线性振动的特点，合理控制磁力大小和限幅间距能够使系统达到三稳态，将大幅拓展谐振频带，因此在较宽频带有大幅压电输出，适应环境随机宽频的振动特点。同时本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器结构紧凑，可提升压电振动发电功率密度。
附图说明
图1为本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器示意图的主视图，其中箭头表示上下振动方向；
图2为本发明磁力、碰撞、滑动质量共同拓频技术实现超宽频谐振的电压频响曲线示意图。
图中，1-框架，2-第一磁体，3-第二磁体，4-压电双晶片，5-磁体质量块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，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、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，包括框架1、磁体质量块5和压电双晶片4，压电双晶片4的两端与框架1连接，磁体质量块5套设于压电双晶片4上且能够在压电双晶片4上滑动；框架1在压电双晶片4中心的两侧位置对称设有第一磁体2和第二磁体3，磁体质量块5与第一磁体2以及与第二磁体3相互吸引，框架1内侧和磁体质量块5的间距为限幅间距。一般情况下，第一磁体2以及与第二磁体3要相同，这样使得第一磁体2以及与第二磁体3对磁体质量块5的磁力作用相同。
作为本发明优选的实施方案，压电双晶片4的两端与框架1铰连接，这样能够提高压电双晶片4的使用寿命以及振幅。
作为本发明优选的实施方案，框架1上开设有凹槽，压电双晶片4端部插入所述凹槽内，框架1与压电双晶片4端部通过所述凹槽实现铰连接，该铰连接结构简单，结构实现上较为容易。
作为本发明优选的实施方案，磁体质量块5包括质量块本体以及设置于质量块本体中心的永磁体。
作为本发明优选的实施方案，磁体质量块5的中心开设有中心孔，磁体质量块5通过所述中心孔套设于压电双晶片4上，所述中心孔与压电双晶片4之间为间隙配合。具体的，磁体质量块5中的永磁体关于所述中心孔是对称分布的，这样能够保证第一磁体2以及与第二磁体3对磁体质量块5的磁力作用相同。
作为本发明优选的实施方案，第一磁体2采用永磁体或者磁性材料。
作为本发明优选的实施方案，第二磁体3采用永磁体或者磁性材料。
本发明所述的可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器的工作方法，包括如下过程：
当可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器受到环境激振时，磁体质量块5能够在压电双晶片4上滑动并移动到谐振位置，使可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器工作于谐振频率下；同时，第一磁体2和第二磁体3对磁体质量块5的吸引磁力随振幅而变化，框架1对压电双晶片4进行限幅。
实施例
参照图1，本实施例的可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，包括：
1个框架1；
第一磁体2和第二磁体3采用相同的永磁体，如图1所示，第一磁体2和第二磁体3对称镶嵌在框架1中心；
一个压电双晶片4，压电双晶片4两端插入外框架1凹槽结构中构成左右两个铰支连接。磁体质量块5可套在压电双晶片4上左右滑动。具体的，可在较宽频率范围内谐振实现最大振幅的能量收集。磁体质量块5包括质量块本体以及设置于质量块本体中心的永磁体。磁体质量块5的中心开设有中心孔，磁体质量块5通过所述中心孔套设于压电双晶片4上，所述中心孔与压电双晶片4之间为间隙配合。具体的，磁体质量块5中的永磁体关于所述中心孔是对称分布的，这样能够保证第一磁体2以及与第二磁体3对磁体质量块5的磁力作用相同。上述结构形成了附加可滑动磁体质量块的压电简支梁结构，且受到框架上下镶嵌的第一磁体2和第二磁体3的吸引磁力。磁体质量块5带动压电双晶片4振动发电，当振幅较大磁体质量块5接触到框架时将产生限幅碰撞力，在吸引磁力、限幅碰撞力和压电简支梁弹性力的共同作用下，可形成三稳态的恢复力势能函数，以此实现三稳态非线性振动。并且可动的磁体质量块5块可沿着简支梁滑动，当环境激振频率改变时，滑动质量将主动改变位置，主动改变谐振频率适应环境激振频率。
采用压电简支梁中心附加包覆永磁体的可动质量块，与上下框架预置磁体有吸引作用，框架也实现了限幅保护。滑动质量块将自动调节系统刚度进而调节谐振频率，在此基础上，由于同时引入了磁力和限幅碰撞力，合理的结构设计可实现三稳态非线性振动拓频。综合调频和拓频设计将大幅拓宽谐振频带，紧凑的结构可提升压电振动发电功率密度。
框架对附加质量的简支梁起铰支连接和限位保护作用。框架内侧和质量块间距为限幅间距，限幅间距根据压电双晶片的许用应力校核结果设计，以防止振幅过载造成压电层的脆裂。
参照图2，本实施例中磁力和碰撞力共同作用，产生非线性振动，使谐振频带变宽。此外，框架构成的限幅作用使势能曲线在大于限幅间距时陡然增高，保护的了振子不会振幅过大而导致压电材料应力过载而脆断。本发明引入的滑动质量块可自主调节谐振频率，和磁力碰撞共同作用，实现超宽频谐振，适合宽频随机的环境振动激励。
综上，本发明可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器中，可动质量块可沿着简支梁滑动，当环境激振频率改变时，滑动质量将主动改变位置，主动改变谐振频率适应环境激振频率。由于框架上下永磁体对质量块中心永磁体的吸引磁力随振幅而变化，同时框架也有限幅振动作用，因此系统具有非线性振动的特点，合理控制磁力大小和限幅间距可使系统达到三稳态，将大幅拓展谐振频带，因此在较宽频带有大幅压电输出，适应环境随机宽频的振动特点。
Claims (8)
1.一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，包括框架(1)、磁体质量块(5)和压电双晶片(4)，压电双晶片(4)的两端与框架(1)连接，磁体质量块(5)套设于压电双晶片(4)上且能够在压电双晶片(4)上滑动；框架(1)在压电双晶片(4)中心的两侧位置对称设有第一磁体(2)和第二磁体(3)，磁体质量块(5)与第一磁体(2)以及与第二磁体(3)相互吸引，框架(1)内侧和磁体质量块(5)的间距为限幅间距。
2.根据权利要求1所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，压电双晶片(4)的两端与框架(1)铰连接。
3.根据权利要求2所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，框架(1)上开设有凹槽，压电双晶片(4)端部插入所述凹槽内，框架(1)与压电双晶片(4)端部通过所述凹槽实现铰连接。
4.根据权利要求1所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，磁体质量块(5)包括质量块本体以及设置于质量块本体中心的永磁体。
5.根据权利要求1所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，第一磁体(2)采用永磁体或者磁性材料。
6.根据权利要求1所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，第二磁体(3)采用永磁体或者磁性材料。
7.根据权利要求1所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器，其特征在于，磁体质量块(5)的中心开设有中心孔，磁体质量块(5)通过所述中心孔套设于压电双晶片(4)上，所述中心孔与压电双晶片(4)之间为间隙配合。
8.权利要求1-7任意一项所述的一种可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器的工作方法，其特征在于，包括如下过程：
当可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器受到环境激振时，磁体质量块(5)能够在压电双晶片(4)上滑动并移动到谐振位置，使可滑动磁耦合限幅综合拓频的压电振动能量收集器工作于谐振频率下；同时，第一磁体(2)和第二磁体(3)对磁体质量块(5)的吸引磁力随振幅而变化，框架(1)对压电双晶片(4)进行限幅。
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