CN210380694U - 一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置 - Google Patents

一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置 Download PDF

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陈君富
童迪科
常健
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本实用新型公开了一种压电‑电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,包括固定基座、轴承、转动质量块和至少一个压电‑电磁耦合的悬臂梁,其特征在于至少一个压电‑电磁耦合的悬臂梁沿周向安装在固定基座的轴上,所述的压电‑电磁耦合的悬臂梁包括压电片、悬臂梁、线圈、梁上永磁体,每个悬臂梁的表面设置压电片采集能量,梁上永磁体作为质量块放置在悬臂梁自由端,在梁上永磁体的轴向下方的固定基座上设置一个采集能量的线圈,在固定基座的中心轴上安装一个轴承,轴承外圈上设置一个转动质量块,转动质量块上设置有至少一个永磁体,离轴心位置与悬臂梁上永磁体对应,该装置可以将外界的低频振动转化为压电‑电磁耦合悬臂梁的上变频共振来采集能量。

Description

一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置
技术领域
本实用新型属于振动能量俘获技术领域,具体涉及一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置。
背景技术
随着便携式设备在现实生活中的广泛应用,便携式设备的功耗也变得越来越低。这使得利用环境中的能量为便携式设备提供能量变为可能。目前环境中可以利用的能量有光能、热能、振动能等,其中振动能广泛存在于我们生活环境中,如人体的运动,车辆的振动等。为此研究人员已经开始研究采集环境中的振动能量并将其转化为电能的技术,为便携式设备提供电能。
目前研究最多的环境振动能量采集方式有电磁式、压电式等,压电式振动俘能器输出电压较大,但是输出电流较小,其输出阻抗呈容性;电磁式振动俘能器的输出电压较小,但是输出电流较大,其输出阻抗呈感性。而且,单一机电转换机制的俘能器输出功率和转换效率较低,且工作频带和负载范围较窄。所以,采用两种方式耦合的形式进行振动能量的采集能提高采集效率。由于共振型的线性振动俘能器,只有在其固有共振频率点附近才有较高的输出功率,悬臂梁尺寸越小,其固有共振频率越高。目前人类应用范围内的振动多为低频振动,要采集这种低频振动,需要将低频振动转换到悬臂梁的固有频率振动。因此很多研究者提出了各种调节压电悬臂梁共振频率的方法。如专利:CN201711190595.1,提出一种碰撞升频式双稳态压电俘能器,包括:拨片、压电梁、摆砣、转轴、磁铁和圆形外壳底座,摆砣上磁铁与圆环形外壳内侧磁铁的排斥力使摆砣势能存在两个势阱和一个势垒。摆砣能够根据外界激励的大小,通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞,使压电梁高频振动产生电能,提高输出功率。又如专利:CN201721590921.3公开了一种磁力耦合压电电磁复合俘能器,包括:平动磁铁、悬浮磁铁垫片、定子、拨齿、转动磁铁、压电悬臂梁、深沟轴承、转子、感应线圈和扰动磁铁,所述平动磁铁通过其周向力驱动转动磁铁高频转动,通过感应线圈收集完成一次升频,转动磁铁通过深沟轴承带动压电悬臂梁与拨齿发生碰撞后高频振动,实现二次升频。但这些振动能量采集装置中对压电悬臂梁的拨动都是靠接触式的碰撞产生的,而不像非接触式的碰撞能减小能量损失,并且没有压电-电磁直接耦合共振的高频带。
本实用新型公开了一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于固定基座、压电片、线圈、永磁体、悬臂梁与扇形转动质量块上的永磁体等组成线性耦合与非线性耦合共同作用的复合型结构,该结构具有较高的有效工作频带。但它的固有共振频率较高,通过安装在扇形转动质量块的致动永磁体在靠近悬臂梁端部的永磁体时产生磁作用力,该非接触的冲击作用力,诱发悬臂梁的固有频率振动。实现将低频的环境振动转换到悬臂梁工作频带的上变频变化,悬臂梁的振动能量通过线圈、和压电片转换成电能输出,实现低频运动非线性冲击振动能量采集。
发明内容
本实用新型的目的:提出一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,通过压电-电磁耦合共振的方式提高俘能器的有效工作频带,利用上变频复合式振动解决俘能装置在人体随机摆动下俘能效率低的问题。
为实现本实用新型,采用的技术方案是:一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,包括固定基座(1)、轴承(2)、扇形转动质量块(3)和至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4),其特征在于至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4)沿周向安装在固定基座(1)的中心轴上,所述的压电-电磁耦合的悬臂梁(4)包括悬臂梁(5)、梁上永磁体(6)、线圈(7)、压电片(8),所述的悬臂梁(5)的表面设置压电片(8)采集能量,所述的梁上永磁体(6)放置在悬臂梁(5)的自由端,所述的线圈(7)设置在梁上永磁体(6)的轴向下方的固定基座(1)上采集能量,所述的轴承(2)的内圈固定在固定基座(1)的中心轴上,轴承(2)的外圈上设置一个扇形转动质量块(3),可以绕固定基座(1)的中心轴甩动,所述的扇形转动质量块(3)包括轻质材料支架(9)、配重质量块(10)和至少一个致动永磁体(11),所述的致动永磁体(11)距离固定基座(1)的轴心位置与悬臂梁(5)的梁上永磁体(6)对应,该装置可以将外界的低频振动转化为压电-电磁耦合的悬臂梁(4)的上变频共振来采集能量。扇形转动质量块(3)会随着外部低频运动在360°范围内甩动,扇形转动质量块(3)上的致动永磁体(11)在靠近悬臂梁(5)自由端的梁上永磁体(6)时将对其产生磁场作用力,该非线性的冲击作用力,会引起悬臂梁(5)在其固有频率下的衰减振动,实现将低频的环境振动转换到悬臂梁(5)工作频带的上变频振动,悬臂梁(5)的振动能量通过线圈(7)、和压电片(8)转换成电能输出,实现低频运动非线性冲击振动能量采集。
本实用新型的有益效果:
1.本实用新型采用非接触的磁力耦合作用,将低频振动转换到悬臂梁的固有频率的高频率振动,实现工作频带的上变频。
2.由于采用压电-电磁耦合共振的方式,可以拓宽有效俘能带宽,收集更多的振动能量,提高输出功率。
3.采用周向分布的多悬臂梁结构,能够增加扇形质量块转动时能量采集的有效时间,提高输出功率。
附图说明
图1为本实用新型一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置的四悬臂梁结构安装示意图;
图2为本实用新型的单个压电-电磁耦合的悬臂梁结构图;
图3为本实用新型的立体图;
图4为本实用新型的侧视图;
图5为本实用新型的运动示意图;
其中:1:固定基座;2:轴承;3:扇形转动质量块;4:压电-电磁耦合的悬臂梁;5:悬臂梁;6:梁上永磁体;7:线圈;8:压电片;9:轻质材料支架;10:配重质量块;11:致动永磁体。
具体实施方式
一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,包括固定基座(1)、轴承(2)、扇形转动质量块(3)和至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4),其特征在于至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4)沿周向安装在固定基座(1)的中心轴上,所述的压电-电磁耦合的悬臂梁(4)包括悬臂梁(5)、梁上永磁体(6)、线圈(7)、压电片(8),所述的悬臂梁(5)的表面设置压电片(8)采集能量,所述的梁上永磁体(6)放置在悬臂梁(5)的自由端,所述的线圈(7)设置在梁上永磁体(6)的轴向下方的固定基座(1)上采集能量,所述的轴承(2)的内圈固定在固定基座(1)的中心轴上,轴承(2)的外圈上设置一个扇形转动质量块(3),可以绕固定基座(1)的中心轴甩动,所述的扇形转动质量块(3)包括轻质材料支架(9)、配重质量块(10)和至少一个致动永磁体(11),所述的致动永磁体(11)离固定基座(1)的轴心位置与悬臂梁(5)的梁上永磁体(6)对应。
工作原理:该装置可以将外界的低频振动转化为压电-电磁耦合的悬臂梁(4)的上变频共振来采集能量。扇形转动质量块(3)会随着外部低频运动在360°范围内甩动,扇形转动质量块(3)上的致动永磁体(11)在靠近悬臂梁(5)自由端的梁上永磁体(6)时将对其产生磁场作用力,该非线性的冲击作用力,会引起悬臂梁(5)在其固有频率下的衰减振动,实现将低频的环境振动转换到悬臂梁(5)工作频带的上变频振动,悬臂梁(5)的振动能量通过线圈(7)、和压电片(8)转换成电能输出,实现低频运动非线性冲击振动能量采集。振动能量收集装置的运动方式如图5所示。
优选的,所述的扇形转动质量块(3)是由轻质材料制成的轻质材料支架(9),为了增加扇形转动质量块(3)的转动惯量,在边缘处设置了配重质量块(10),配重质量块(10)可以是铁块或者铜块。
优选的,所述的固定基座(1)中心轴上可以安装一组或者多组压电-电磁耦合的悬臂梁(4),每个压电-电磁耦合的悬臂梁(4)间隔一定角度安装。
优选的,所述的扇形转动质量块(3)上的所有致动永磁体(11)的磁极方向一致。
优选的,所述的梁上永磁体(6)和致动永磁体(11)可以是铁氧体磁铁或稀土永磁体。
需要说明的是,上述各技术特征继续相互组合,形成未在上面列举的各种实施例,均视为本实用新型说明书记载的范围;并且,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,包括固定基座(1)、轴承(2)、扇形转动质量块(3)和至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4),其特征在于,至少一个压电-电磁耦合的悬臂梁(4)沿周向安装在固定基座(1)的中心轴上,所述的压电-电磁耦合的悬臂梁(4)包括悬臂梁(5)、梁上永磁体(6)、线圈(7)、压电片(8),所述的悬臂梁(5)的表面设置压电片(8)采集能量,所述的梁上永磁体(6)放置在悬臂梁(5)的自由端,所述的线圈(7)设置在梁上永磁体(6)的轴向下方的固定基座(1)上采集能量,所述的轴承(2)的内圈固定在固定基座(1)的中心轴上,轴承(2)的外圈上设置一个扇形转动质量块(3),可以绕固定基座(1)的中心轴甩动,所述的扇形转动质量块(3)包括轻质材料支架(9)、配重质量块(10)和至少一个致动永磁体(11),所述的致动永磁体(11)距离固定基座(1)的轴心位置与悬臂梁(5)的梁上永磁体(6)对应,该装置可以将外界的低频振动转化为压电-电磁耦合的悬臂梁(4)的上变频共振来采集能量。
2.根据权利要求1所述的一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于,扇形转动质量块(3)会随着外部低频运动在360°范围内甩动,扇形转动质量块(3)上的致动永磁体(11)在靠近悬臂梁(5)自由端的梁上永磁体(6)时将对其产生磁场作用力,该非线性的冲击作用力,会引起悬臂梁(5)在其固有频率下的衰减振动,实现将低频的环境振动转换到悬臂梁(5)工作频带的上变频振动,悬臂梁(5)的振动能量通过线圈(7)、和压电片(8)转换成电能输出,实现低频运动非线性冲击振动能量采集。
3.根据权利要求1所述的一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于,所述的扇形转动质量块(3)是由轻质材料制成的轻质材料支架(9),为了增加扇形转动质量块(3)的转动惯量,在边缘处设置了配重质量块(10),配重质量块(10)可以是铁块或者铜块。
4.根据权利要求1所述的一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于,所述的固定基座(1)中心轴上可以安装一组或者多组压电-电磁耦合的悬臂梁(4),每个压电-电磁耦合的悬臂梁(4)间隔一定角度安装。
5.根据权利要求1所述的一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于,扇形转动质量块(3)上的所有致动永磁体(11)的磁极方向一致。
6.根据权利要求1所述的一种压电-电磁耦合的上变频多方向振动俘能装置,其特征在于,所述的梁上永磁体(6)和致动永磁体(11)可以是铁氧体磁铁或稀土永磁体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112234860A (zh) * 2020-09-15 2021-01-15 西安交通大学 一种电磁压电复合式多轴振动和摆动能量俘获装置

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