CN216851789U - 磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，包括竖直设置的旋转圆盘，旋转圆盘上设置有与其平行的第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁处于旋转圆盘的同一半径位置；第一压电悬臂梁的一端固定于旋转圆盘的中心处，第一压电悬臂梁的另一端设置有第一永磁铁；第二压电悬臂梁的一端固定于圆盘的边缘，第二压电悬臂梁的另一端设置有第二永磁铁；第一永磁铁和第二永磁铁的磁极相斥。其能量俘获效率高，工作频带宽，结构简单，且易于实现和调节双稳态效果，可以替代传统化学电池、实现为无线传感器和微型机电设备持续供电。
Description
技术领域
本实用新型属于能量俘获技术领域，涉及一种用于俘获旋转运动能量的磁耦合双自由度的双稳态振动能量俘获装置。
背景技术
随着传感器技术、MEMS技术、电子技术、材料科学与技术等的快速发展，大量微型化、低功耗的无线传感器和微型机电设备被应用到各种结构、设备、周围环境以及人体内。这些无线传感器可用于结构健康监测、抢险救灾、智能农业、人体健康监测等多领域。当前，大多数无线传感器和微型机电设备主要使用传统化学电池进行供电，需要定期对化学电池进行充电或者更换，否则无法保证无线传感器和微型机电设备的长期可靠工作。然而，在嵌入式轨道、桥梁、复杂机械设备、建筑物等传感器应用场合或者恶劣边远地区中，化学电池充电或更换成本高且难度大。此外，大量化学电池的使用也带来了不可忽视的环境污染问题。
能量俘获是指从周围的环境中获取能量(振动能、太阳能、潮汐能、射频能等)并转化为可使用的电能。其中，压电振动能量俘获方法得到的电压幅值较高且无须外接电源，同时具有较高的实际能量密度，被认为是替代传统化学电池，实现为无线传感器和微型机电设备持续供电的最具潜力的方法，具有广阔的应用前景。
旋转运动能量的来源很广泛，从工业制造的涡轮机、风机叶片、汽车轮胎的旋转，到自然界中的潮汐起伏，以及人体结构的运动(摆臂、弯腰、头部扭转)等。由于旋转运动能量的可利用性和丰富性，近年来旋转式压电振动能量俘获受到了科学界和工程界广泛的关注和研究。
在过去十余年，国内外学者得到的理论和实验结果表明基于共振原理的传统的线性压电能量俘获系统只有在其共振频率附近可以输出较高幅值的电压。然而，由于制造不精确、变化的环境温度和时变的环境振动等多重因素的影响，这些共振带宽窄的装置很难与周围环境振动相匹配，从而导致能量俘获效率较低。通过施加磁力将系统的刚度由线性调节为非线性的方法，可以有效地拓宽系统的工作频带。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，可以进行多频带宽能量俘获，能够有效地提高能量俘获效率以及拓宽能量俘获器的工作频带。
本实用新型所采用的技术方案是一种磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，包括竖直设置的旋转圆盘，旋转圆盘上设置有与其平行的第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁处于旋转圆盘的同一半径位置；第一压电悬臂梁的一端固定于旋转圆盘的中心处，第一压电悬臂梁的另一端设置有第一永磁铁；第二压电悬臂梁的一端固定于旋转圆盘的边缘，第二压电悬臂梁的另一端设置有第二永磁铁，第一永磁铁和第二永磁铁的磁极相斥。
本实用新型的特点还在于：
第一压电悬臂梁的长度大于第二压电悬臂梁的长度且第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁的总长度小于旋转圆盘的半径。
第一压电悬臂梁的长度与第二压电悬臂梁的长度比例为1.2-1.5。
第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁均由不锈钢材料上粘贴压电陶瓷 PZT制成。
第一永磁铁和第二永磁铁为钕铁硼磁铁。
旋转圆盘上连接第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁处相应开设有螺纹孔，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁夹持于第一夹具上，第一夹具通过螺栓固定于旋转圆盘的螺纹孔上。
第一永磁铁固定于第二夹具上，第二夹具固定于第一压电悬臂梁的一端；第二永磁铁固定于第二夹具上，第二夹具固定于第二压电悬臂梁的一端。
旋转圆盘由铝合金材料制成。
本实用新型的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置其能量俘获效率高，工作频带宽，结构简单，且易于实现和调节双稳态稳态效果，可以替代传统化学电池、实现为无线传感器和微型机电设备持续供电。
附图说明
图1是本实用新型磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置的结构示意图。
图中，1.旋转圆盘，2.第一压电悬臂梁，3.第二压电悬臂梁，4.第一永磁铁，5.第二永磁铁，6.第一夹具，7.第二夹具。
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进行详细说明。
如图1所示，本实用新型的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置是一种用于俘获旋转运动能量的磁耦合双自由度双稳态振动能量俘获结构，将第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3分别倒置和正置安装在旋转圆盘1的同一半径上(正置安装指悬臂梁固定端到自由端的方向与端部质量所受离心力方向一致，反之为倒置)，二者端部的第一永磁铁和第一永磁铁的磁极相对且相斥。第一压电悬臂梁2和第一压电悬臂梁3的一端使用第一夹具6通过螺栓固定在旋转圆盘1上，另一端上粘贴了第二夹具7，在第二夹具的端部分别粘贴了第一永磁铁4和第二永磁铁5。
旋转圆盘1由铝合金材料制成，其呈竖直方向设置，旋转方向与重力方向垂直。
第一永磁铁4和第二永磁铁5为钕铁硼磁铁，端部的第一永磁铁4和第二永磁铁5相斥。
第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3均由不锈钢材料上粘贴压电陶瓷 PZT制成。第一压电悬臂梁2为较长梁，第二压电悬臂梁3为较短梁。第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3振动时通过正压电效应将振动能量转化为电能。
第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3分别倒置和正置安装在旋转圆盘 1的同一半径上，二者端部永磁铁的磁极相对且相斥。
第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3的一端使用第一夹具通过螺栓固定在旋转圆盘上，另一端上用强力胶粘贴了第二夹具。
第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3的端部第二夹具上分别粘贴了第一永磁铁4和第二永磁铁5。第一永磁铁4和第二永磁铁5相对面为相同极性，产生斥力。
第一夹具6通过螺栓固定在旋转圆盘1上，第二夹具7通过强力胶粘贴在压电悬臂梁自由端。
本实用新型装置的原理是当旋转圆盘进行旋转运动时，圆盘上的第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3端部质量受到的重力可视为外部激励源。重力的法向分力对第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3产生轴向力作用，可改变其等效刚度从而调节其共振频率，具体表现为第一压电悬臂梁2正置时受到“离心硬化效应”影响，等效刚度变大，倒置时第二压电悬臂梁3受到“离心软化效应”影响，等效刚度变小。重力的切向分力可使第一压电悬臂梁2 和第二压电悬臂梁3产生横向振动，使压电片产生弯曲变形进行发电。“离心软化效应”对压电振动能量俘获是有益的，可提高其振幅从而增大输出电压。
当重力激励使第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3发生振动时，非线性磁力(斥力)的引入使悬臂梁的振动呈现双稳态特征。在材料、端部质量、厚度、宽度相同的情况下，第一压电悬臂梁2初始设计长度较长，其刚度较小，刚度小和非线性力的引入可克服离心硬化效应的缺陷；第二压电悬臂梁 3的初始设计长度较短，其刚度较大，在高频旋转时不易受到破坏，同时还利用了离心软化效应降低刚度，拓宽了其共振频带并提高了输出电压。经过多次试验，第一压电悬臂梁2的长度与第二压电悬臂3梁的长度比例为 1.2-1.5效果最佳。
实际安装使用时，在如旋转圆盘1这样具有旋转运动的构件(涡轮叶片、汽车轮胎、人体手臂)上，按如图1所示的安装方式安装磁耦合第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3。在重力切向分力的激励下第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3产生振动，在重力法向分力的作用下第二压电悬臂梁3的等效刚度变小，第一压电悬臂梁2的等效刚度变大。由于端部第一永磁铁4 和第二永磁铁5斥力的作用，第一压电悬臂梁2和第二压电悬臂梁3在两个稳态位置之间跳变，其表面附着的压电材料会产生应变，利用正压电效应将振动能量转化为电能并进行存储，为结构健康监测设备中的微型机电设备和无线传感器进行供电。
本实用新型的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置比起传统的线性压电振动能量俘获装置，该装置具有良好的多频带宽能量俘获特性，原因在于：一是双压电悬臂梁的共振频率不同，可俘获不同频带的旋转运动能量，使得结构具有宽频带能量俘获特性；二是双梁刚度的合理设计既克服了“离心硬化效应”，又充分利用了“离心软化效应”，提高了装置的输出电压和共振带宽；三是非线性磁力使悬臂梁的振动呈现双稳态特征，能够有效地提高能量俘获效率以及拓宽能量俘获器的工作频带。
Claims (8)
1.磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，包括竖直设置的旋转圆盘(1)，所述旋转圆盘(1)上设置有与其平行的第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)，所述第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)处于旋转圆盘(1)的同一半径位置；所述第一压电悬臂梁(2)的一端固定于旋转圆盘(1)的中心处，所述第一压电悬臂梁(2)的另一端设置有第一永磁铁(4)；所述第二压电悬臂梁(3)的一端固定于旋转圆盘(1)的边缘，所述第二压电悬臂梁(3)的另一端设置有第二永磁铁(5)；所述第一永磁铁(4)和第二永磁铁(5)的磁极相斥。
2.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述第一压电悬臂梁(2)的长度大于第二压电悬臂梁(3)的长度且第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)的总长度小于旋转圆盘(1)的半径。
3.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述第一压电悬臂梁(2)的长度与第二压电悬臂梁(3)的长度比例为1.2-1.5。
4.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)均由不锈钢材料上粘贴压电陶瓷PZT制成。
5.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述第一永磁铁(4)和第二永磁铁(5)为钕铁硼磁铁。
6.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述旋转圆盘(1)上连接第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)处相应开设有螺纹孔，所述第一压电悬臂梁(2)和第二压电悬臂梁(3)夹持于第一夹具(6)上，所述第一夹具(6)通过螺栓固定于旋转圆盘(1)的螺纹孔上。
7.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述第一永磁铁(4)固定于第二夹具(7)上，所述第二夹具(7)固定于第一压电悬臂梁(2)的一端；所述第二永磁铁(5)固定于第二夹具(7)上，所述第二夹具(7)固定于第二压电悬臂梁(3)的一端。
8.根据权利要求1所述的磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置，其特征在于，所述旋转圆盘(1)由铝合金材料制成。
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| CN202220182798.6U CN216851789U (zh) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置 |
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2022
- 2022-01-20 CN CN202220182798.6U patent/CN216851789U/zh active Active
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