CN207460030U - 一种三维多方向宽频带能量采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种三维多方向宽频带能量采集器，包括基座、具有压电层的压电悬臂梁、呈弯曲结构的弯曲弹性梁、压电梁磁铁和弯曲梁磁铁，所述的压电悬臂梁、弯曲弹性梁两者的一端为固定在基座上的固定端，两者的另一端为自由端并且分别连接着压电梁磁铁、弯曲梁磁铁，所述的压电梁磁铁、弯曲梁磁铁相对设置并具有间距。本实用新型所述的三维多方向宽频带能量采集器利用弯曲弹性梁能够有效采集三维任意方向的振动能量，并且利用压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的磁力以及弯曲弹性梁与第一止幅孔和第二止幅孔撞击实现了对宽频带振动能量的采集，采集器同时具备非线性宽频和撞击宽频特性，增大采集器的适用范围。

Description

一种三维多方向宽频带能量采集器

技术领域

本实用新型涉及能量采集装置的技术领域，尤其涉及一种三维多方向宽频带能量采集器。

背景技术

振动是环境中普遍存在的一种现象，将环境中的振动转化为电能，为无线网络、嵌入式系统等低功耗设备供电，有着非常广泛的应用前景。

目前振动能量回收技术研究主要有三种方式：静电式、电磁式和压电式，其中压电式能量回收装置是近十年的研究热点，因为压电材料能将外界振动能量直接转变为可利用的电能，而且结构简单易于整合到系统之中。压电式能量回收装置主要利用压电材料的压电效应，即压电材料在外力作用下变形并产生电荷，将机械能转化为电能。当发生共振时，压电材料就有最大的变形，就能产生可观的能量输出。目前主要的形式有：压电悬臂梁结构、压电圆盘结构、钹式压电结构、压电螺旋结构等。不同构型的压电能量回收装置包括：单层、双层压电悬臂梁，推拉直压式结构，膜片式结构，管状、辐射状结构，以及钹式压电结构。通过调节结构的尺寸来改变其固有频率，以与环境振动的频率一致。

现有技术中，例如中国专利申请号：201310530588.7，名称为：多方向宽频带能量采集器，该实用新型提出了采用弹性连接梁感应多方向的振动，利用磁铁间的非线性磁力实现宽频振动能量采集。该实用新型虽然能够实现多方向的宽频能量采集，但该采集器只能采集两维方向的振动，无法采集沿弹性连接梁方向的振动能量，即无法实现三维方向的振动。再例如中国专利申请号：201210158447.2，名称为：一种低频多方向振动能量回收装置，该实用新型提出了一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过弯曲弹性梁与外框架相连接，弯曲弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的弯曲弹性梁。由于弯曲弹性梁可以感应三维方向的振动，可实现三维方向的振动能量采集。但是单个采集器只能实现单频率的振动能量采集，如果要实现宽频振动能量采集，需要通过多个采集器单元的组合来实现，这样会导致采集器结构复杂，制作难度加大，制作成本高，同时也降低了采集器的功率密度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种三维多方向宽频带能量采集器，解决目前技术中能量采集器难以采集三维多方向的振动能量，采集频带窄的问题。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，包括基座、具有压电层的压电悬臂梁、呈弯曲结构的弯曲弹性梁、压电梁磁铁和弯曲梁磁铁，所述的压电悬臂梁、弯曲弹性梁两者的一端为固定在基座上的固定端，两者的另一端为自由端并且分别连接着压电梁磁铁、弯曲梁磁铁，所述的压电梁磁铁、弯曲梁磁铁相对设置并具有间距。本实用新型所述的三维多方向宽频带能量采集器采用的弯曲弹性梁呈弯曲结构，其能感应外部三维任意方向的振动，从而带动弯曲梁磁铁振动，压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的非线性磁力将外部任意方向的振动均转换成非线性振动，这种非线性的振动使得装置获得宽频带的特性，从而能有效地采集三维任意方向的宽频带的振动能量，极大的提高能量采集器适用范围，能量收集效率高，结构简单、紧凑，易于制作。

进一步的，所述的弯曲弹性梁呈L形、半圆形、U形其中的一种，能随着外部的任意三维方向的振动进行振动，增大振动能量的采集范围。

进一步的，所述的弯曲弹性梁的截面为圆形、椭圆形和菱形中的一种。

进一步的，所述的弯曲弹性梁的自由端上连接有质量块，质量块起到增幅的作用，提高对振动能量的收集能力。

进一步的，所述的基座上设置有第一止幅块和第二止幅块，所述的第一止幅块上设置第一止幅孔，所述的第二止幅块上设置第二止幅孔，并且第一止幅孔和第二止幅孔所在平面相互垂直，弯曲弹性梁穿过第一止幅孔和第二止幅孔，并且第一止幅孔和第二止幅孔的孔径大于弯曲弹性梁的外径。弯曲弹性梁在振动的过程中会与第一止幅孔和第二止幅孔发生撞击，撞击使得装置获得宽频特性，进一步将采集的振动能量频带拓宽，由于第一止幅孔和第二止幅孔所在平面相互垂直，弯曲弹性梁在进行第一止幅孔所在平面任意方向上的振动时，弯曲弹性梁能与第一止幅孔发生撞击，而弯曲弹性梁在进行垂直于第一止幅孔所在平面方向上的振动时，弯曲弹性梁会与第二止幅孔撞击，从而第一止幅孔和第二止幅孔共同作用使得弯曲弹性梁在发生三维任意方向的振动时，都至少会与第一止幅孔和第二止幅孔中的一者发生撞击，从而能对三维任意方向的宽频带的振动能量进行有效采集。

进一步的，所述的第一止幅块和第二止幅块为平板结构，第一止幅孔和第二止幅孔为圆孔，结构简单，制作方便，圆孔结构使得弯曲弹性梁在三维任意方向上的振动都可以有效地与第一止幅孔和第二止幅孔发生撞击，有效保障装置采集宽频带能量的性能。

进一步的，所述的压电梁磁铁、弯曲梁磁铁两者的相对面为同极性或相反极性，确保压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的磁性力能有效地将外部任意方向的振动均转换成非线性振动，使得装置获得宽频带的特性。

进一步的，所述的压电悬臂梁、弯曲弹性梁分别由通过螺钉锁附的压块固定在基座两侧，安装调节方便，维护效率高、成本低。

进一步的，所述的压电悬臂梁上设置有单层、双层或者多层的压电层，双层或者多层的压电层可以提高压电体的有效容积，从而实现小体积高回收效率的压电能量回收系统。

进一步的，所述的压电悬臂梁包括具有弹性的中间支撑层和粘接在中间支撑层两侧的压电层，压电层之间通过并联或串联进行电压输出。

与现有技术相比，本实用新型优点在于：

本实用新型所述的三维多方向宽频带能量采集器利用弯曲弹性梁能够采集三维任意方向的振动能量，并且利用压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的磁力以及弯曲弹性梁与第一止幅孔和第二止幅孔撞击来实现了对宽频带振动能量采集，采集器同时具备非线性宽频和撞击宽频特性，拓宽采集器的带宽，增大采集器的适用范围；并且结构简单、紧凑，易于加工，制造成本低，调节、维护方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开的一种三维多方向宽频带能量采集器，结构简单、紧凑，能够同时采集三维多方向振动能量，采集频带宽，易于制作，成本低。

如图1所示的实施例一，三维多方向宽频带能量采集器，主要包括基座(1)、压电悬臂梁(2)、弯曲弹性梁(6)、压电梁磁铁(3)和弯曲梁磁铁(4)，所述的压电悬臂梁(2)、弯曲弹性梁(6)两者的一端为固定在基座(1)上的固定端，两者的另一端为自由端并且分别连接着压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)，压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)相对设置并具有间距，并且弯曲弹性梁(6)的自由端上还连接有质量块(5)，质量块(5)起到增幅的作用，提高对振动能量的收集能力。

压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)两者的相对面为同极性或相反极性，压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的非线性磁力将外部任意方向的振动均转换成非线性振动，这种非线性的振动使得装置获得宽频带的特性。

压电悬臂梁(2)、弯曲弹性梁(6)分别由通过螺钉(12)锁附的压块(11)固定在基座(1)两侧，结构简单，组装方便，维护更换方便。

压电悬臂梁(2)上可以设置单层、双层或者多层的压电层，在本实施例中，压电悬臂梁(2)包括具有弹性的中间支撑层和粘接在中间支撑层两侧的压电层，两个压电层通过并联或串联进行电压输出。中间支撑层可以采用钢、铍青铜等弹性材料，中间支撑层的宽度与压电层一致，压电层采用压电陶瓷，其表面覆盖金属电极层。研究表明，当负载小激振力频率较低时，单层压电层产生的能量较高；而当负载阻抗和激振力频率适中时，并联的双层压电层输出能量较高；当负载阻抗和激振力频率较高时，串联的双层压电层输出能量较高。

弯曲弹性梁(6)可以呈L形、半圆形、U形等弯曲结构，在本实施例中，弯曲弹性梁(6)为L形，并且弯曲弹性梁(6)的截面可以为圆形、椭圆形和菱形中的一种，优选的为圆形，圆形能确保弯曲弹性梁能有效地感应外部振动，使得弯曲弹性梁可以在其横截面上任意角度的径向位置进行有效地振动，扩展弯曲弹性梁对振动方向的适应性，有效地将外界振动转换为非线性振动，使得装置能够获得宽频特性。

在本实施例中，基座(1)包括底座和垂直固定在底座上的支座，底座和支座均采用非导磁材料，在底座或支座上设置第一止幅块(9)和第二止幅块(10)，第一止幅块(9)上设置第一止幅孔(7)，所述的第二止幅块(10)上设置第二止幅孔(8)，并且第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)所在平面相互垂直，第一止幅块(9)和第二止幅块(10)为平板结构，第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)为圆孔，弯曲弹性梁(6)依次穿过第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)，并且第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)的孔径略大于弯曲弹性梁(6)的外径。在本实施例中，第一止幅孔(7)所在平面垂直于压电梁磁铁(3)与弯曲梁磁铁(4)的连线方向，如附图1所示，第一止幅孔(7)所在平面为x-z方向，第二止幅孔(8)所在平面沿着y方向，弯曲弹性梁感应沿x-z方向的振动时，将会撞击第一止幅孔(7)，弯曲弹性梁y方向的振动时，将会撞击第二止幅孔(8)，从而使得弯曲弹性梁在三维任意方向上的振动都能撞击到第一止幅孔(7)或第二止幅孔(8)，有效地拓宽采集器的频带。因此采集器同时具备非线性宽频和撞击宽频特性，与单一方式的宽频采集器相比，本实用新型能得到更宽的带宽。

本实用新型将两种以上的宽频振动能量采集方式组合，构成一种频带更宽、结构简单的能量采集器，解决现有多方向宽频振动能采集器频带窄、结构复杂、无法同时采集三维方向振动的不足。

如图2所示，实施例二与实施例一的主要区别在于采用U形弯曲弹性梁(13)，其他结构相同，采用U形弯曲弹性梁的优点，是在不增加采集器体积的情况下，增长了弯曲弹性梁的有效长度，适合于频率较低的应用场合。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，包括基座(1)、具有压电层的压电悬臂梁(2)、呈弯曲结构的弯曲弹性梁(6)、压电梁磁铁(3)和弯曲梁磁铁(4)，所述的压电悬臂梁(2)、弯曲弹性梁(6)两者的一端为固定在基座(1)上的固定端，两者的另一端为自由端并且分别连接着压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)，所述的压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)相对设置并具有间距。

2.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的弯曲弹性梁(6)呈L形、半圆形、U形其中的一种。

3.根据权利要求2所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的弯曲弹性梁(6)的截面为圆形、椭圆形和菱形中的一种。

4.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的弯曲弹性梁(6)的自由端上连接有质量块(5)。

5.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的基座(1)上设置有第一止幅块(9)和第二止幅块(10)，所述的第一止幅块(9)上设置第一止幅孔(7)，所述的第二止幅块(10)上设置第二止幅孔(8)，并且第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)所在平面相互垂直，弯曲弹性梁(6)穿过第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)，并且第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)的孔径大于弯曲弹性梁(6)的外径。

6.根据权利要求5所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的第一止幅块(9)和第二止幅块(10)为平板结构，第一止幅孔(7)和第二止幅孔(8)为圆孔。

7.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的压电梁磁铁(3)、弯曲梁磁铁(4)两者的相对面为同极性或相反极性。

8.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的压电悬臂梁(2)、弯曲弹性梁(6)分别由通过螺钉(12)锁附的压块(11)固定在基座(1)两侧。

9.根据权利要求1所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的压电悬臂梁(2)上设置有单层、双层或者多层的压电层。

10.根据权利要求9所述的三维多方向宽频带能量采集器，其特征在于，所述的压电悬臂梁(2)包括具有弹性的中间支撑层和粘接在中间支撑层两侧的压电层，两个压电层通过并联或串联进行电压输出。