CN218888420U - 一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，包括：电介质膜（聚四氟乙烯PTFE）、电惰性膜（聚对苯二甲酸乙二醇酯PETG）、铜膜、外壳体、铜棒、弹簧钢片、弹簧、永磁体、电刷。胶囊的外壳内表面覆盖铜膜和电介质膜（PTFE）；四块永磁体，两个固定在套筒的内表面金属膜上，两个固定在外壳的内表面凹槽内，四个永磁体在整体结构上组成两对相互排斥的磁性双稳态机构，两根弹簧、一根铜棒，铜棒穿过两根弹簧，两根弹簧一端分别固定在两个盖板内表面上，另一端分别固定在套筒外表面的电介质膜（PTFE）上，即套筒和外壳通过两根弹簧弹性连接。本发明通过设置的胶囊结构TEH吸振的同时可以收集振动能量，提供了一种低成本、环保和可持续的吸振发电工具。

Description

一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置

技术领域

本发明涉及振动及摩擦纳米发电技术领域，尤其涉及一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置。

背景技术

振动在工程应用中是一种十分常见的现象，机械装备在工作时产生振动，这种振动往往十分稳定、且分布广泛。在需要减振的结构上附加一个动力吸振器，使振动能量主要传递到动力吸振器上，从而达到减振吸能的目的。摩擦纳米发电机是基于纳米级摩擦电效应的能够将外界能量环境转换成电能的能量收集器件。

摩擦纳米发电机的工作特性结合吸振结构正好切合了振动能量收集的需求，此发明不仅能吸收机械振动以此保护机械和延长机械工作寿命还能收集振动能量并转化为电能。在吸收低频振动能量方面具有现有其他类型的摩擦纳米发电机有更大的优势，现有电磁式振动能量收集装置主要适用于高频、大振幅的振动，如(【1】王飞and侯晓伟(2019)."MEMS电磁式振动能量收集器加工及性能测试."电子设计工程27(5):5.)，压电式装置收集中高频振动能量(佘引,et al.(2014)."MEMS压电阵列振动能量收集器."传感技术学报27(8):5.)，两者在收集低频振动能量方面均存在一定的不足。综上所述，此发明在收集低频段振动能量上具有明显优势。

发明内容

本发明针对现有技术不足提出了一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，可以对垂直方向以及水平方向由振动产生的摩擦生成的电能进行采集，提高了微小能量的采集效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提出了一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置主要包括：电介质膜(聚四氟乙烯)、电惰性膜(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、铜膜、外壳体、铜棒、弹簧钢片、弹簧、永磁体、电刷。

磁性双稳态机构和胶囊的吸振结构，四个永磁体，两个固定在套筒内表面铜膜上，两个固定在外壳部分内表面的凹槽内，四个永磁体在整体结构上分别组成两对相互排斥的磁性双稳态机构，即结构准零刚度，有磁性负刚度和机械正刚度；磁性负刚度是由四个永磁体构成，两对磁铁相互排斥，组成磁性双稳态机构；正刚度由轴上的一对弹簧构成准零刚度。

两根弹簧、铜棒，铜棒穿过两根弹簧，两根弹簧一端分别固定在外壳部分的两个盖板内表面，另一端分别固定在套筒外表面的电介质膜上，即套筒和圆柱体外壳通过两根弹簧弹性连接。使得外壳体中的中空套筒可以在水平激励下在其内部往复运动。

由铜膜、电介质膜、电惰性膜、永磁体、外壳体组成的外壳部分，外壳体构成外壳部分的外表面，外壳部分的两个盖板内表面分别覆盖有铜膜，外壳部分柱面内表面的左半部分覆盖有铜膜，右半部分覆盖有电惰性膜。通过套筒与外壳内表面的滑动摩擦(水平滑动式)以及套筒和外壳体两端的盖板的振动冲击(接触分离式)，实现对电流的产生。

铜棒、套筒部分、圆柱体外壳部分，铜棒右端嵌入圆柱体外壳的右盖板内，铜棒左端贯穿圆柱体外壳的左盖板，铜棒整个穿过空心套筒，使得滑块部分能够定向滑动，增大摩擦面积以及通过铜棒为导体对外输出电流。

套筒部分、圆柱体外壳部分，套筒部分放置在圆柱体外壳内部，外壳部分两端的盖板与外壳部分固定连接，使得整个装置在激励下能够稳定工作，增加其鲁棒性。

本发明具有以下特点及有益效果：

本发明提出了一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，吸振结构改变系统的振动能量分布和传递特性，使振动能量主要集中于动力吸振器上，吸振减振的同时，增加振动能量转化为电能的能量总量。

因为磁性双稳态机构的作用(准零刚度吸振器结构)，本发明拓展了吸振器在低频的工作范围，输出功率随着激励频率的增加而增加。该特性赋予其适应各种操作条件的能力。胶囊内径越大，能量转换效率越高。

不同于其他吸振器，本发明采用了一种圆柱形容器(称为胶囊)的吸振能量收集装置，可以收集水平方向及竖直方向滑动摩擦产生的电能，套筒中空的结构可以调整套筒质量以改变自身固有频率，扩大吸振器在不同环境下的工作适用性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍。

图1示意性示出了本发明具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置的剖面图。

图2示意性示出了本发明具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置的结构示意图。

图3示意性示出了本发明外部整流电路的电路设计图。

附图标记说明：1-铜膜，2-永磁体，3-电介质膜，4-电惰性膜，5-弹簧钢片，6-外壳体，7-铜棒，8-电刷，9-弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明开发了一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，在外界激励下可以将机械能转换为电能，实现对机械多余振动能量的收集利用。其中套筒可在外壳部分内往复运动，与外壳部分内表面相互摩擦以及与外壳部分两端盖板相互碰撞，相应地，通过水平滑动模式和接触-分离式发电。建立了机电耦合系统的数学模型，该模型在结构动力学上是非光滑的，在电气动力学上是刚性的。

水平滑动式是基于与摩擦层水平方向平行的激励驱动下，滑动摩擦起电和平面电荷分离过程的耦合。在外力作用下，两摩擦层接触面间的摩擦力使其发生相对滑动，内部产生位移电流。两摩擦层表面间接触区域的接触面积周期性变化导致电荷中心的横向分离，从而产生电势差，在外电路中产生电流。单电极式与前者具有相同的摩擦起电过程，只是内部只含有一个电极，利用电极与接地端之间的电势差来实现电流的转移。

铜膜和电惰性膜之间摩擦系数的差异有助于套筒与胶囊两端表面发生碰撞，从而对提高电输出起到积极作用。静电力作为相对位移平均值移动的阻力，影响非光滑系统中冲击的发生，应予以考虑摩擦电能收集建模中的考虑因素。当套筒的初始位置靠近盖板时，更容易发生碰撞；然而，当激励振幅大于某个值时，这种位置效应变得可以忽略。

关于接触分离和水平滑动的能量收集装置，主要有两种类型的材料配对：介质对介质和导体对介质，后者用于收集电能。接触分离和水平滑动模式的电荷转移过程类似。当两个电极通过外部引入的运动垂直或横向分离时，由于相对运动，在开路条件下会产生电势差。

于竖直方向加上两组同性相斥的永磁体组成的磁性双稳态机构可以扩展吸振器的共振频域以提高对低频振动能量的收集，提高对振动能量的收集效率。

本发明的工作原理是：由于外部激励引起两个表面间的相对运动(法向接触式分离和水平相对滑动)从而在材料的上下背电极间产生感应电势差,然后感应电势差便会驱动电子通过外电路在两个电极间流动；由于在水平和垂直方向加装了弹性元件和永磁体，在较小的振幅和较高的频率下，本发明装置依然可以保持较高的效率。同时增大了直径，增大了接触面积大大提高了性能。本发明的工作模式，包括摩擦纳米发电机的垂直接触-分离式、水平滑动式。

当套筒初始位置靠近两端时，更容易发生冲击。随着振动幅值的增大，影响输出的初始位置范围变窄。当振幅比大于0.45时，初始位置根本不会影响输出，因为无论初始位置在哪，冲击总是在相对较大的激励振幅下发生。故使用两对磁铁和负刚度弹簧组成非线性系统，增强其在低频段对振动能量的收集。此外，为了隔离套筒并确保摩擦发电仅发生在套筒上的电介质膜和圆柱体外壳内的铜膜之间的接触区域，将电惰性膜覆盖在金属膜未覆盖的内部圆柱表面区域。

由于内囊壁摩擦特性的具有差异，从而导致不同的速度和加速度，使得不同的相对位移振幅在零(初始位置)附近不是对称的，有益于套筒的来回碰撞。

图三为本发明摩擦纳米发电机的外部整流电路，将振动产生的交流电路进行整流处理，该电路采用的二级充电的方式，摩擦纳米发电机输出的电流通过桥式整流器后变为直流电。

由于本机构内部存在摩擦及碰撞以及机械能转为电能的特性，还可以作为吸振器使用，通过改变内部的空隙可以改变吸振器质量，以及可以改变内部弹簧的刚度，达到改变共振频率的目的进而抑制对象振动的产生，此设计是可以吸收振动能量的吸振器，既利用吸振器吸收机械振动能量，减少主振动系统振动，又能够把吸收的振动能量转化为电能，从而达到既减少振动又提高能量利用率的目的。

此设计不限于某些固定的频段，在许多频段下均可工作，且结构小巧，可适用于多种情景。此动力吸振器并非常规的共振型动力吸振器，而是一种胶囊状的依靠摩擦和碰撞减振的动力吸振器，且该结构中弹簧钢片并未起到相应的作用，只是用以保持电刷的良好的接触。

Claims (6)

1.一种具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：电介质膜（3）、铜膜（1）、外壳体（6）、电惰性膜（4）、铜棒（7）、四个弹簧钢片（5）、两根弹簧（9）、四个永磁体（2）、两个电刷（8）；总体分为三个部分：内部由铜膜（1）、电介质膜（3）、弹簧钢片（5）、电刷（8）、永磁体（2）组成以铜棒为轴的套筒部分；由铜膜（1）、电介质膜（3）、电惰性膜（4）、永磁体（2）、外壳体（6）组成的外壳部分；铜棒（7）和两根弹簧（9）组成的固定轴部分；套筒部分内表面由铜膜（1）构成，外表面由电介质膜（3）构成，内外表面相接触，共同组成套筒，套筒中空部分固定有四个弹簧钢片（5），上半部分两根弹簧钢片（5）上端固定在套筒内表面的铜膜（1）上，下端固定在电刷（8）上，下半部分两根弹簧钢片（5）上端固定电刷（8）上，下端固定在套筒内表面的铜膜（1）上，两个电刷（8）、套筒与铜棒（7）无固定连接接触。

2.根据权利要求1所述的具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：四个永磁体（2），两个固定在套筒内表面铜膜（1）上，两个固定在外壳部分内表面的凹槽内，四个永磁体（2）在整体结构上分别组成两对相互排斥的磁性双稳态机构。

3.根据权利要求1所述的具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：两根弹簧、铜棒（7），铜棒（7）穿过两根弹簧（9），两根弹簧（9）一端分别固定在外壳部分的两个盖板内表面，另一端分别固定在套筒外表面的电介质膜（3）上，即套筒和圆柱体外壳通过两根弹簧（9）弹性连接。

4.根据权利要求1所述的具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：由铜膜（1）、电介质膜（3）、电惰性膜（4）、永磁体（2）、外壳体（6）组成的外壳部分，外壳体（6）构成外壳部分的外表面，外壳部分的两个盖板内表面分别覆盖有铜膜（1），外壳部分柱面内表面的左半部分覆盖有铜膜（1），右半部分覆盖有电惰性膜（4）。

5.根据权利要求1所述的具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：铜棒（7）、套筒部分、圆柱体外壳部分，铜棒（7）右端嵌入圆柱体外壳的右盖板内，铜棒（7）左端贯穿圆柱体外壳的左盖板，铜棒（7）整个穿过空心套筒。

6.根据权利要求1所述的具有磁性双稳态机构和胶囊结构的吸振能量收集装置，其特征是：套筒部分、圆柱体外壳部分，套筒部分放置在圆柱体外壳内部，外壳部分两端的盖板与外壳部分固定连接。

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