CN115051527B - 双稳态非线性能量收集装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了双稳态非线性能量收集装置及其使用方法，其包括机架、导轨、磁性振荡块、竖向振荡块、竖向振荡机构、横向振荡机构和电流收集装置，其中，机架包括底座和支架；导轨固定设置在底座上，磁性振荡块沿着导轨长度方向做往返运动；电流收集装置包括线圈、第一导向座和第二导向座；第一导向座和第二导向座均固定设置在底座上，磁性振荡块滑动设置在线圈上；磁性振荡块具有磁性，磁性振荡块沿着导轨长度方向做往返运动的同时线圈切割磁感线，并且在线圈上产生电流；磁性振荡块采用双稳态，从静稳定平衡位置运动到不稳定平衡位置时受到的横向压力以非线性方式增加，对振动更灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械技术领域，具体地说，涉及一种利用附加弹性边界耦合动力学增强的双稳态非线性能量收集装置及其使用方法。
背景技术
传统的能量采集装置是基于线性结构的，存在收集带宽过窄的问题。于是，基于“负刚度”效应，设计出了双稳态的能量采集装置(Duffing型振子结构)，双稳态能量采集装置也因其更大的收集带宽和效率而广泛应用。然而会存在跨阱阈值较高，不利于小激励下的能量采集的情况，并且在这种情况下，双稳态能量采集装置的性能会急剧下降。因此，如何降低双稳态能量采集装置的跨阱阈值，解决能量采集装置在小激励情况下的跨阱动态响应是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出双稳态非线性能量收集装置及其使用方法，通过引入新的耦合动力学效应，降低阈值，提高双稳态能量采集装置在小激励下的性能，提升能量采集性能。
本发明的技术方案是这样实现的：双稳态非线性能量收集装置，其包括双稳态非线性能量收集装置，其包括机架、导轨、磁性振荡块、竖向振荡块、竖向振荡机构、横向振荡机构和电流收集装置，其中，机架包括底座和支架；导轨固定设置在底座上，磁性振荡块沿着导轨长度方向做往返运动；电流收集装置包括线圈、第一导向座和第二导向座；第一导向座和第二导向座均固定设置在底座上，磁性振荡块滑动设置在线圈上；磁性振荡块具有磁性，磁性振荡块沿着导轨长度方向做往返运动的同时线圈切割磁感线，并且在线圈上产生电流；所述竖向振荡块滑动设置在支架上；竖向振荡机构包括第一竖向振荡件和第二竖向振荡件；竖向振荡块一端与第一竖向振荡件铰接，竖向振荡块另一端与第二竖向振荡件铰接；第一竖向振荡件另一端与磁性振荡块铰接；第二竖向振荡件另一端设置在支架上；横向振荡机构包括两个，其中一个横向振荡机构设置在竖向振荡块的一侧，另一个横向振荡机构设置在竖向振荡块的另一侧；每个所述横向振荡机构包括移动架、移动块和横向伸缩件；移动架沿着第二竖向振荡件的长度方向滑动设置在支架上；移动块沿着导轨的长度方向滑动设置在移动架上；横向伸缩件一端与竖向振荡块铰接，另一端与移动块铰接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述支架包括两个竖向移动槽，竖向移动槽沿着第二竖向振荡件的长度方向设置，每个所述竖向移动槽均与一个移动架相配合。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述移动架包括导向块，导向块滑动设置在移动槽内。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述移动架还包括横向导向槽，所述横向导向槽与导轨长度方向平行，移动块滑动设置在横向导向槽内。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述横向伸缩件包括横向连接杆、第一横向套筒、第二横向套筒和横向弹簧，横向连接杆一端伸缩套接在第一横向套筒内，横向连接杆另一端伸缩套接在第二横向套筒内，横向弹簧一端套接在第一横向套筒外，横向弹簧另一端套接在第二横向套筒外。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一横向套筒远离横向连接杆的一端与竖向振荡块铰接，第二横向套筒远离横向连接杆的一端与移动块铰接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述竖向振荡机构还包括第二导轨，第二导轨沿着第二竖向振荡件的长度方向设置，竖向振荡块滑动设置在第二导轨上。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一竖向振荡件包括第一竖杆、第一竖向座、第一竖向套筒和第一竖向弹簧；所述第一竖杆一端与第一竖向座通过螺纹连接，第一竖杆另一端由第一竖向套筒一端伸入，由第一竖向套筒另一端伸出，所述第一竖向弹簧套接在第一竖杆上，第一竖向弹簧设置在第一竖向座和第一竖向套筒之间，所述第一竖向座与磁性振荡块铰接；所述第二竖向振荡件包括第二竖杆、限位板、第二竖向弹簧和端板；端板固定设置在支架远离底座的一端，限位板固定设置在支架上，限位板位于端板和竖向振荡块之间，所述第二竖杆一端设置在竖向振荡块远离第一竖杆的一端，另一端依次穿过限位板和端板，所述第二竖向弹簧套接在第二竖杆上，第二竖向弹簧位于竖向振荡块与限位板之间。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括电流收集装置，电流收集装置包括线圈、第一导向座和第二导向座；第一导向座和第二导向座均固定设置在底座上，磁性振荡块滑动设置在线圈上。
本发明的双稳态非线性能量收集装置及其使用方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)磁性振荡块利用双稳态的负刚度效应增加振动传递比，对振动更灵敏，提高能量采集效率；
(2)非线性弹性边界结构，有效降低能量采集装置跨阱阈值，提高系统跨阱响应范围；
(3)采用竖向振荡机构和横向振荡机构，提高了能量采集带宽和能量采集效率；
(4)该双稳态线性能量收集装置的结构较简单，降低了制造难度；
(5)该双稳态线性能量收集装置可靠度和稳定性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明双稳态非线性能量收集装置的立体图；
图2为本发明双稳态非线性能量收集装置的局部放大图；
图3为本发明双稳态非线性能量收集装置的俯视图；
图4为本发明双稳态非线性能量收集装置的右视图；
图5为本发明双稳态非线性能量收集装置与现有能量收集装置在相同激励幅值下平均功率的对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，双稳态非线性能量收集装置，其包括机架1、导轨2、磁性振荡块3、竖向振荡块4、竖向振荡机构5、横向振荡机构6和电流收集装置7。
其中，机架1，如图1、图3和图4所示，包括底座11和支架12。
导轨2固定设置在底座11上，磁性振荡块3沿着导轨2长度方向做往返运动，磁性振荡块3具有磁性，磁性振荡块3沿着导轨2长度方向做往返运动。
电流收集装置7，包括线圈71、第一导向座72和第二导向座73；第一导向座72和第二导向座73均固定设置在底座11上，磁性振荡块3滑动设置在线圈71上。
磁性振荡块3具有磁性，磁性振荡块3沿着导轨2长度方向做往返运动的同时线圈71切割磁感线，并且在线圈71上产生电流，此时将机械能转化成电能并且进行储存。
一种优选的实施方式是，所述竖向振荡机构5还包括第二导轨53，第二导轨53沿着第二竖向振荡件52的长度方向设置，第二导轨53固定设置在支架12上，竖向振荡块4滑动设置在第二导轨53上。
竖向振荡机构5，如图4所示，包括第一竖向振荡件51、第二竖向振荡件52。
一种优选的实施方式是，所述第一竖向振荡件51包括第一竖杆511、第一竖向座512、第一竖向套筒513和第一竖向弹簧514；所述第一竖杆511一端与第一竖向座512通过螺纹连接，第一竖杆511另一端由第一竖向套筒513一端伸入，由第一竖向套筒513另一端伸出，所述第一竖向弹簧514套接在第一竖杆511上，第一竖向弹簧514设置在第一竖向座512和第一竖向套筒513之间，所述第一竖向座512与磁性振荡块3铰接。
一种优选的实施方式是，所述第二竖向振荡件52包括第二竖杆521、限位板522、第二竖向弹簧523和端板524；端板524固定设置在支架12远离底座11的一端，限位板522固定设置在支架12上，限位板522位于端板524和竖向振荡块4之间，所述第二竖杆521一端设置在竖向振荡块4远离第一竖杆511的一端，另一端依次穿过限位板522和端板524，所述第二竖向弹簧523套接在第二竖杆521上，第二竖向弹簧523位于竖向振荡块4与限位板522之间。
横向振荡机构6如图2所示，横向振荡机构6包括两个，其中一个横向振荡机构6设置在竖向振荡块4的一侧，另一个横向振荡机构6设置在竖向振荡块4的另一侧。
一种优选的实施方式是，每个所述横向振荡机构6包括移动架61、移动块62和横向伸缩件63。
一种优选的实施方式是，支架12包括两个竖向移动槽121，竖向移动槽121沿着第二竖向振荡件52的长度方向设置，每个所述竖向移动槽121均与一个移动架61相配合。
一种优选的实施方式是，移动架61包括导向块611，导向块611滑动设置在移动槽121内，导向块611在移动槽121内调节为了保证横向伸缩件63的水平。
一种优选的实施方式是，移动架61还包括横向导向槽612，所述横向导向槽612与导轨2长度方向平行，移动块62滑动设置在横向导向槽612内，移动块62在横向导向槽612的配合，为了满足不同长度的横向伸缩件63。
一种优选的实施方式是，横向伸缩件63包括横向连接杆631、第一横向套筒632、第二横向套筒633和横向弹簧634，横向连接杆631一端伸缩套接在第一横向套筒632内，横向连接杆631另一端伸缩套接在第二横向套筒633内，横向弹簧634一端套接在第一横向套筒632外，横向弹簧634另一端套接在第二横向套筒633外。
一种优选的实施方式是，第一横向套筒632远离横向连接杆631的一端与竖向振荡块4铰接，第二横向套筒633远离横向连接杆631的一端与移动块62铰接。
以下介绍本发明双稳态非线性能量收集装置的使用方法：
将双稳态非线性能量收集装置放置于振动物体上，受到振动激励作用的时候，磁性振荡块3沿着导轨2移动，此时磁性振荡块3产生的磁感线随着磁性振荡块3的移动而移动，线圈71切割随着磁性振荡块3移动而移动的磁感线，线圈71位于闭合电路中，并且可以导电，此时磁线圈71内产生电流，这部分机械能通过电磁效应转化为电能并且被储存起来；
竖向振荡机构5和横向振荡机构6的非线性弹性边界结构具有非线性耦合动力学效应，放大了振动激励对磁性振荡块3的激励作用，使磁性振荡块3实现大幅阱间运动，提高相同激励下的振幅。
相同激励幅值下，该专利所公开的双稳态非线性能量收集装置与现有能量收集装置在相同激励幅值下平均功率的对比如下：
假设振动源的振动形式为0-10Hz正向扫频激励，分别选取0.3-1g的激励幅值(g＝10m/s2)来测试现有线性边界耦合装置和本专利提出的双稳态非线性能量收集装置性能以及鲁棒性。
为了证明该双稳态非线性能量收集装置与现有能量收集装置相比体现出的显著进步，该双稳态非线性能量收集装置除横向振荡机构6的部分外，其余部分参数保持一致，即仅增加两个横向弹簧634。
参数分别为：两个横向弹簧634、第一竖向弹簧514和第二竖向弹簧523均为1kN/m，第一竖向弹簧514l1＝l2＝0.08m，l3＝l4＝0.04m。磁性振荡块3m1＝0.2kg竖向振荡块4m2＝0.1kg。垂直和水平方向上的线性阻尼均为0.1Ns/m，磁性振荡块3和竖向振荡块4之间的垂直高度h＝0.072m，电磁耦合常数为0.7Tm，电感系数为0.005H，用电器的电阻为10欧姆。基于此参数进行的仿真结果如图5所示：
黑色方块为现有能量收集装置的平均功率随激励幅值的变化，黑色星型为本专利提出的双稳态非线性能量收集装置提出的能量收集装置的平均功率随激励幅值的变化。显而易见，虽然现有能量收集装置可以利用“强”“弱”双稳态交替使水平振荡块更容易产生大幅度跨阱振动。但线性弹性边界为了维持足够的双稳态特性，需要使线性弹性边界具有一定的刚度(非常小的刚度会使沿垂直竖向振荡块4的力过小，从而导致振子不能在静不稳定平衡位置保持“强”双稳态特性)，一定的刚度会削弱“强”“弱”双稳态交替的能力，从而限制了双稳态振子的剧烈跨阱振动的能力。
而本专利提出的结构采用非线性弹性边界，可以使双稳态振子从静稳定平衡位置运动到静不稳定平衡位置(中心线)时受到的横向压力以非线性方式增加。相比于线性弹性边界，以非线性方式增加的横向压力会使竖向振荡块4的“强”“弱”双稳态交替变化更加剧烈，可以进一步提高该水平振荡块跨阱振动的性能，因此根据基尔霍夫定律可知，越快的振动速度可以有效提高电能输出功率，因此本专利提出的结构具有更高的能量收集效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.双稳态非线性能量收集装置，其包括机架(1)、导轨(2)、磁性振荡块(3)、竖向振荡块(4)、竖向振荡机构(5)、横向振荡机构(6)和电流收集装置(7)，其中，
机架(1)包括底座(11)和支架(12)；
导轨(2)固定设置在底座(11)上，磁性振荡块(3)沿着导轨(2)长度方向做往返运动；
电流收集装置(7)包括线圈(71)、第一导向座(72)和第二导向座(73)；第一导向座(72)和第二导向座(73)均固定设置在底座(11)上，磁性振荡块(3)滑动设置在线圈(71)上；
磁性振荡块(3)具有磁性，磁性振荡块(3)沿着导轨(2)长度方向做往返运动的同时线圈(71)切割磁感线，并且在线圈(71)上产生电流；
其特征在于：所述竖向振荡块(4)滑动设置在支架(12)上；
竖向振荡机构(5)包括第一竖向振荡件(51)和第二竖向振荡件(52)；
竖向振荡块(4)一端与第一竖向振荡件(51)铰接，竖向振荡块(4)另一端与第二竖向振荡件(52)铰接；
第一竖向振荡件(51)另一端与磁性振荡块(3)铰接；
第二竖向振荡件(52)另一端设置在支架(12)上；
横向振荡机构(6)包括两个，其中一个横向振荡机构(6)设置在竖向振荡块(4)的一侧，另一个横向振荡机构(6)设置在竖向振荡块(4)的另一侧；
每个所述横向振荡机构(6)包括移动架(61)、移动块(62)和横向伸缩件(63)；
移动架(61)沿着第二竖向振荡件(52)的长度方向滑动设置在支架(12)上；
移动块(62)沿着导轨(2)的长度方向滑动设置在移动架(61)上；
横向伸缩件(63)一端与竖向振荡块(4)铰接，另一端与移动块(62)铰接；
所述横向伸缩件(63)包括横向连接杆(631)、第一横向套筒(632)、第二横向套筒(633)和横向弹簧(634)，横向连接杆(631)一端伸缩套接在第一横向套筒(632)内，横向连接杆(631)另一端伸缩套接在第二横向套筒(633)内，横向弹簧(634)一端套接在第一横向套筒(632)外，横向弹簧(634)另一端套接在第二横向套筒(633)外；
所述第一竖向振荡件(51)包括第一竖杆(511)、第一竖向座(512)、第一竖向套筒(513)和第一竖向弹簧(514)；所述第一竖杆(511)一端与第一竖向座(512)通过螺纹连接，第一竖杆(511)另一端由第一竖向套筒(513)一端伸入，由第一竖向套筒(513)另一端伸出，所述第一竖向弹簧(514)套接在第一竖杆(511)上，第一竖向弹簧(514)设置在第一竖向座(512)和第一竖向套筒(513)之间，所述第一竖向座(512)与磁性振荡块(3)铰接；
所述第二竖向振荡件(52)包括第二竖杆(521)、限位板(522)、第二竖向弹簧(523)和端板(524)；端板(524)固定设置在支架(12)远离底座(11)的一端，限位板(522)固定设置在支架(12)上，限位板(522)位于端板(524)和竖向振荡块(4)之间，所述第二竖杆(521)一端设置在竖向振荡块(4)远离第一竖杆(511)的一端，另一端依次穿过限位板(522)和端板(524)，所述第二竖向弹簧(523)套接在第二竖杆(521)上，第二竖向弹簧(523)位于竖向振荡块(4)与限位板(522)之间。
2.如权利要求1所述的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述支架(12)包括两个竖向移动槽(121)，竖向移动槽(121)沿着第二竖向振荡件(52)的长度方向设置，每个所述竖向移动槽(121)均与一个移动架(61)相配合。
3.如权利要求2所述的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述移动架(61)包括导向块(611)，导向块(611)滑动设置在移动槽(121)内。
4.如权利要求3所述的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述移动架(61)还包括横向导向槽(612)，所述横向导向槽(612)与导轨(2)长度方向平行，移动块(62)滑动设置在横向导向槽(612)内。
5.如权利要求4所述的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述第一横向套筒(632)远离横向连接杆(631)的一端与竖向振荡块(4)铰接，第二横向套筒(633)远离横向连接杆(631)的一端与移动块(62)铰接。
6.如权利要求5所述的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述竖向振荡机构(5)还包括第二导轨(53)，第二导轨(53)沿着第二竖向振荡件(52)的长度方向设置，竖向振荡块(4)滑动设置在第二导轨(53)上。
7.双稳态非线性能量收集装置的使用方法，其特征在于：采用权利要求6所述的双稳态非线性能量收集装置，包括以下步骤：
将双稳态非线性能量收集装置放置于振动物体上，受到振动激励作用的时候，磁性振荡块(3)沿着导轨(2)移动，此时磁性振荡块(3)产生的磁感线随着磁性振荡块(3)的移动而移动，线圈(71)切割随着磁性振荡块(3)移动而移动的磁感线，线圈(71)位于闭合电路中，并且可以导电，此时磁线圈(71)内产生电流，这部分机械能通过电磁效应转化为电能并且被储存起来；
竖向振荡机构(5)和横向振荡机构(6)的非线性弹性边界结构具有非线性耦合动力学效应，放大了振动激励对磁性振荡块(3)的激励作用，使磁性振荡块(3)实现大幅阱间运动，提高相同激励下的振幅。
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