CN215772948U - 一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，包括不倒翁基座、球面关节、支撑柱和若干直线型悬臂梁压电振子；球面关节包括支撑座、摆臂和第一永磁体；摆臂包括转动端和自由端，自由端固定有第一永磁体；直线型悬臂梁压电振子包括第二永磁体、悬臂梁和压电片；悬臂梁的作用端固定有与第一永磁体磁性相同的第二永磁体；在悬臂梁的一侧板面上固定有与第二永磁体接触的压电片；所有直线型悬臂梁压电振子的第二永磁体均能与第一永磁体产生磁力作用发生振动，通过第二永磁体的振动使压电片产生形变并输出电能。本实用新型能实现将外界低频的环境振动转换为压电悬臂梁上变频共振来实现能量采集。
Description
技术领域
本实用新型属于振动能量俘获技术领域，具体涉及一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置。
背景技术
在科技日益发达的今天，电子产品已经成为人们不可或缺的一部分，微电子设备具有尺寸小、能耗低的特点，而广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域。振动是自然界中广泛存在的一种能量形式，利用能量收集技术对振动能量进行收集和转化，为便携式设备提供电能，已成为微能源领域的主要研究方向之一。
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，压电式振动能量采集装置输出电压较大，比较适合低频、小激励的环境；电磁式能量采集装置的谐振频率较高，输出电压低且易受磁场影响。基于单一能量采集方式的收集装置有功率输出受限、频带宽度较窄、可拓展性较差等缺点，考虑振源的多样性，结合磁力耦合的形式进行振动能量的采集能有效解决困境。这种形式的压电振动能量采集器能有效拓宽频带宽度,改善电压电流输出特性。电磁式的能量转换形式中，磁力是引起压电振子非线性振动的一个关键因素。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，需要充分考虑悬臂梁的固有频率，提高与外界激振频率的匹配度。如专利：CN109995270A，提出一种磁力耦合多梁压电浮能装置及其双稳态实现方法，包括：L型悬臂梁、直线型悬臂梁、陶瓷压电片、永磁铁和下梁，当横线摆动时，压电振子自由端的永磁铁在磁力作用下，使直线型悬臂梁压电振子左右摆动，实现双稳态系统，拓宽频带，提高输出功率。但这些振动能量采集装置中对压电悬臂梁存在振动方向单一、对低频振动能量难全面采集等缺点，因此多方向宽频带的高效能量采集装置一直是研究的热点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，通过压电-磁力耦合共振的方式提高俘能器的有效工作频带，通过不倒翁基座在微弱振动情况下发生大幅非周期振动来提高压电能量采集效率。
本实用新型所采用的具体技术方案如下：
本实用新型提供了一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其包括不倒翁基座、球面关节、支撑柱和若干直线型悬臂梁压电振子；
所述不倒翁基座为底部置有用于平衡的重物块且上端开口的壳体结构，其顶部固定有过上口面中心点的支撑柱，位于支撑柱的上口面中心点处固定有球面关节；所述球面关节包括支撑座、摆臂和第一永磁体；所述支撑座竖直固定于支撑柱底部，支撑座的底部转动连接有摆臂；所述摆臂包括转动端和自由端，转动端和支撑座共同构成球面副，自由端固定有第一永磁体；所述自由端在摆动时与不倒翁基座的内壁互不干涉；
所述直线型悬臂梁压电振子包括第二永磁体、悬臂梁和压电片；所述悬臂梁为平板状结构，包括固定端和作用端；所述固定端通过绝缘连接件固定于不倒翁基座内壁，作用端固定有与第一永磁体磁性相同的第二永磁体；在所述悬臂梁的一侧板面上固定有与第二永磁体接触的压电片；
在所述不倒翁基座的内部固定有若干直线型悬臂梁压电振子，所有直线型悬臂梁压电振子的作用端均伸向所述球面关节；所有直线型悬臂梁压电振子的第二永磁体均能与所述第一永磁体产生磁力作用发生振动，通过第二永磁体的振动使压电片产生形变并输出电能。
作为优选，所述不倒翁基座为空心类球体结构，底部的重物块为铁块。
作为优选，所述支撑柱的两端通过焊接固定于不倒翁基座的顶部；支撑柱与支撑座之间通过焊接固定。
作为优选，当所述摆臂处于竖直状态时，支撑座、摆臂和第一永磁体的中轴线相同。
作为优选，所述支撑座的下部开设有倒葫芦形通孔，倒葫芦形通孔包括由上至下相互贯通的第一球孔和第二球孔，第二球孔的孔径小于第一球孔的孔径；所述摆臂的转动端部分位于第二球孔内且与第二球孔构成球面副，顶部位于第一球孔内，第一球孔内设有耐磨套，耐磨套的底部为能与转动端顶部配合转动的弧形结构。
进一步的，所述支撑座和摆臂均采用轻质材料制成，耐磨套的材料为聚四氟乙烯。
进一步的，所述支撑座的倒葫芦形通孔内壁以及摆臂的转动端表面均涂覆耐磨的钴基合金层。
作为优选，所述第一永磁体和第二永磁体均为铁氧体磁铁或稀土永磁体。
作为优选，所述直线型悬臂梁压电振子共设置八个，其中，四个直线型悬臂梁压电振子平行所述上口面设置且均记为第一压电振子，四个直线型悬臂梁压电振子垂直所述上口面设置且均记为第二压电振子；四个第一压电振子均匀设置于不倒翁基座的内侧壁面，且位于同一水平面上；四个第二压电振子设置于不倒翁基座的底部，顶部位于与所述上口面平行的同一水平面，四个第二压电振子的顶部中心点能围成圆形，该圆形中心点与上口面中心点的连线垂直所述上口面。
进一步的，四个所述第一压电振子与四个所述第二压电振子的分布位置相同。
本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本实用新型采用不倒翁基座，借助非接触式磁力耦合作用，将低频振动转换为大幅高频非周期振动，能有效拓宽工作频带，提高输出功率；
2)本实用新型采用不倒翁基座和球面关节配合作用，能够增强灵敏度，利于拓宽有效采集区域。
3)本实用新型采用周向均匀分布的直线型悬臂梁压电振子结构，能够增加第一永磁体在不倒翁基座上钟摆式摆动时引发直线型悬臂梁压电振子振动产生能量的有效采集时间，提高采集效率。
附图说明
图1为本实用新型的一种结构示意图；
图2为图1结构的俯视图；
图3为直线型悬臂梁压电振子的结构图；
图4为一种球面关节的(a)立体示意图及(b)A-A剖面视图；
图5为图4结构的主视图；
其中：1：不倒翁基座；2：球面关节；3：支撑柱；4：第一永磁体；5：直线型悬臂梁压电振子；6：支撑座；7：摆臂；8：耐磨套；9：第二永磁体；10：悬臂梁；11：固定端；12：压电片；13：绝缘连接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本实用新型提供的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，该不倒翁式车载压电振动能量采集装置主要包括不倒翁基座1、球面关节2、支撑柱3和多个直线型悬臂梁压电振子5。下面将对各部件的结构及连接方式进行具体说明。
不倒翁基座1为底部放置重物块，上端开口的壳体结构，内部部分中空形成腔室。实际应用时，可以将不倒翁基座1设置为类球体结构，包括下部实心、上部空心的两部分，不倒翁基座1是为了增加振动系统的自由度以扩大能量采集器的采集区域,提高拾振效率。重物块可以采用铁块，主要是为了保持整个装置的平衡。
在不倒翁基座1的上开口(即上口面)处设有支撑柱3，支撑柱3水平横跨且固定于不倒翁基座1上口面中部，支撑柱3经过上口面的中心点，两端分别固定于不倒翁基座1顶部的内壁面。为了加强支撑柱3的牢固程度，可以将支撑柱3的两端通过焊接固定于不倒翁基座1的顶部。在支撑柱3底部固定有球面关节2，球面关节2包括支撑座6、摆臂7和第一永磁体4。支撑座6竖直固定于支撑柱3的上口面中心点处，支撑座6的底部转动连接有摆臂7。在实际应用时，可以直接采用焊接将支撑座6与支撑柱3固定。摆臂7包括转动端和自由端，转动端能在支撑座6的限位下自由转动，转动端和支撑座6共同构成球面副，自由端固定有第一永磁体4，自由端能随着转动端的转动而在不倒翁基座1的内腔中自由摆动，摆动时自由端与不倒翁基座1的内壁互不干涉。
如图4和5所示，提供了一种球面关节2的结构，具体如下：在支撑座6的下部开设有倒葫芦形通孔，倒葫芦形通孔包括位于上方的第一球孔和位于下方的第二球孔，第一球孔和第二球孔之间相互贯通，且第二球孔的孔径小于第一球孔的孔径。需要说明的是，这里虽然称为第一球孔和第二球孔，但这两个孔洞并不是一个完整的球形结构，而分别是某个球形结构的一部分。摆臂7的转动端部分位于第二球孔内且与第二球孔构成球面副，顶部位于第一球孔内，第一球孔内设有耐磨套8，耐磨套8的底部为能与转动端顶部配合转动的弧形结构。也就是说，第二球孔与摆臂7上端球头的球面形状相匹配，互为相互配合的等径球面；耐磨套8的底部为凹球面形状，与摆臂7的球头球面形状相适应，为等径球面；
在实际装配时，摆臂7的球头首先嵌入第二球孔内，球头与第二球孔的球面同心，两者在装配的滑动过程中可自动找正方位并且嵌入固定，随后将耐磨套8放入第一球孔中，使球头的另一部分嵌入耐磨套8的凹槽内，以形成紧密配合，从而完成球面关节2的装配过程。为了使支撑座6与摆臂7转动时的耐磨性能更好、转动摩擦力更小，可以将支撑座6和摆臂7均采用轻质材料制作，耐磨套8采用聚四氟乙烯材料制作，并且在支撑座6的倒葫芦形通孔内壁以及摆臂7的转动端表面均涂覆耐磨的钴基合金层。同时，可以将球面关节2设置为对称的结构，即当摆臂7处于竖直状态时，支撑座6、摆臂7和第一永磁体4的中轴线相同。
如图3所示，直线型悬臂梁压电振子5包括第二永磁体9、悬臂梁10、固定件11和压电片12。悬臂梁10为平板状结构，包括固定端11和作用端。固定端11通过绝缘连接件13固定于不倒翁基座1内壁，作用端固定有第二永磁体9。在悬臂梁10的一侧板面上固定有与第二永磁体9接触的压电片12。第二永磁体9与第一永磁体4的磁性相同，两者之间靠近时会产生斥力作用，使与第二永磁体9接触的压电片12发生形变并产生电能。在不倒翁基座1的内部固定有多个直线型悬臂梁压电振子5，所有直线型悬臂梁压电振子5的作用端均伸向球面关节2。由于自由端上固定有第二永磁体9，在摆臂7摆动时，自由端能带着第二永磁体9在不倒翁基座1的中空内腔中摆动，进而靠近固定于中空内腔中各处的第一永磁体4，由于第二永磁体9与第一永磁体4的磁性相同，两者之间靠近时会产生斥力作用，第二永磁体9会产生振动，进而使与第二永磁体9接触的压电片12发生形变并输出电能。因此，在装置制作时应当考虑摆臂7与直线型悬臂梁压电振子5之间的距离关系，两者端部不宜过近或者过远，还要考虑到直线型悬臂梁压电振子5的固定角度，以便于使摆臂7在摆动时不会撞击到直线型悬臂梁压电振子5，并且还能与直线型悬臂梁压电振子5顶端的第二永磁体9之间发生斥力作用。
如图1和2所示，提供了一种直线型悬臂梁压电振子5在不倒翁基座1中空内腔中的排布方式，具体如下：直线型悬臂梁压电振子5共设置八个，其中，四个直线型悬臂梁压电振子5平行上口面设置且均记为第一压电振子，四个直线型悬臂梁压电振子5垂直上口面设置且均记为第二压电振子。四个第一压电振子均匀设置于不倒翁基座1的内侧壁面，且位于同一水平面上。四个第二压电振子设置于不倒翁基座1的底部，顶部位于与上口面平行的同一水平面，四个第二压电振子的顶部中心点能围成圆形，该圆形中心点与上口面中心点的连线垂直上口面。四个第一压电振子与四个第二压电振子的分布位置相同。在实际应用时，第一永磁体4和第二永磁体9均可以采用铁氧体磁铁或稀土永磁体。
本实用新型的装置能实现将外界低频的环境振动转换为压电悬臂梁上变频共振来实现能量采集，具体如下：不倒翁基座1能在微弱振动情况下发生大幅非周期振动，球面关节2上的第一永磁体4会随着外部振动在不倒翁基座1内腔中进行钟摆式自由摆动，第一永磁体4在靠近直线型悬臂梁压电振子5上的第二永磁体9时，将在磁力(电磁斥力)作用下使第二永磁体9振动，该非线性的冲击作用力使压电片12产生形变并输出电能，从而实现低频振动能量采集。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，包括不倒翁基座(1)、球面关节(2)、支撑柱(3)和若干直线型悬臂梁压电振子(5)；
所述不倒翁基座(1)为底部置有用于平衡的重物块且上端开口的壳体结构，其顶部固定有过上口面中心点的支撑柱(3)，位于支撑柱(3)的上口面中心点处固定有球面关节(2)；所述球面关节(2)包括支撑座(6)、摆臂(7)和第一永磁体(4)；所述支撑座(6)竖直固定于支撑柱(3)底部，支撑座(6)的底部转动连接有摆臂(7)；所述摆臂(7)包括转动端和自由端，转动端和支撑座(6)共同构成球面副，自由端固定有第一永磁体(4)；所述自由端在摆动时与不倒翁基座(1)的内壁互不干涉；
所述直线型悬臂梁压电振子(5)包括第二永磁体(9)、悬臂梁(10)和压电片(12)；所述悬臂梁(10)为平板状结构，包括固定端(11)和作用端；所述固定端(11)通过绝缘连接件(13)固定于不倒翁基座(1)内壁，作用端固定有与第一永磁体(4)磁性相同的第二永磁体(9)；在所述悬臂梁(10)的一侧板面上固定有与第二永磁体(9)接触的压电片(12)；
在所述不倒翁基座(1)的内部固定有若干直线型悬臂梁压电振子(5)，所有直线型悬臂梁压电振子(5)的作用端均伸向所述球面关节(2)；所有直线型悬臂梁压电振子(5)的第二永磁体(9)均能与所述第一永磁体(4)产生磁力作用发生振动，通过第二永磁体(9)的振动使压电片(12)产生形变并输出电能。
2.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述不倒翁基座(1)为空心类球体结构，底部的重物块为铁块。
3.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑柱(3)的两端通过焊接固定于不倒翁基座(1)的顶部；支撑柱(3)与支撑座(6)之间通过焊接固定。
4.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，当所述摆臂(7)处于竖直状态时，支撑座(6)、摆臂(7)和第一永磁体(4)的中轴线相同。
5.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑座(6)的下部开设有倒葫芦形通孔，倒葫芦形通孔包括由上至下相互贯通的第一球孔和第二球孔，第二球孔的孔径小于第一球孔的孔径；所述摆臂(7)的转动端部分位于第二球孔内且与第二球孔构成球面副，顶部位于第一球孔内，第一球孔内设有耐磨套(8)，耐磨套(8)的底部为能与转动端顶部配合转动的弧形结构。
6.根据权利要求5所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑座(6)和摆臂(7)均采用轻质材料制成，耐磨套(8)的材料为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求5所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑座(6)的倒葫芦形通孔内壁以及摆臂(7)的转动端表面均涂覆耐磨的钴基合金层。
8.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第一永磁体(4)和第二永磁体(9)均为铁氧体磁铁或稀土永磁体。
9.根据权利要求1所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，所述直线型悬臂梁压电振子(5)共设置八个，其中，四个直线型悬臂梁压电振子(5)平行所述上口面设置且均记为第一压电振子，四个直线型悬臂梁压电振子(5)垂直所述上口面设置且均记为第二压电振子；四个第一压电振子均匀设置于不倒翁基座(1)的内侧壁面，且位于同一水平面上；四个第二压电振子设置于不倒翁基座(1)的底部，顶部位于与所述上口面平行的同一水平面，四个第二压电振子的顶部中心点能围成圆形，该圆形中心点与上口面中心点的连线垂直所述上口面。
10.根据权利要求9所述的一种不倒翁式车载压电振动能量采集装置，其特征在于，四个所述第一压电振子与四个所述第二压电振子的分布位置相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220208 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |