基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置制造方法
【專利摘要】一種基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，包括底座、線圈、萬向壓電換能器、質量塊、連接彈簧、高頻永磁體、低頻永磁體和低頻彈簧。所述線圈設置于底座內部底面；質量塊位于底座內部中心，并通過兩個萬向壓電換能器與底座相連；萬向壓電換能器由兩個角型彈性金屬基片、剛性塊、上層壓電片和下層壓電片組成，剛性塊固定于角型彈性金屬基片的彎角處，上層壓電片和下層壓電片分別粘貼于角型彈性金屬基片的上、下兩個表面；高頻永磁體位于底座內部中心；質量塊和高頻永磁體通過連接彈簧相連；低頻永磁體位于底座內部中心。此裝置可實現(xiàn)對較低頻率和不同環(huán)境振動方向條件下一定寬度頻帶內振動能量的有效收集，增強了裝置的實用性。
【專利說明】基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于新型能源和電子【技術領域】，特別涉及一種基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置。
[0002]
【背景技術】
[0003]近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，對能源的需求日益劇增，環(huán)境污染和能源短缺成為困擾世界各國的一個共同難題，并由此而造成的環(huán)境惡化和能源危機逐漸開始影響經(jīng)濟發(fā)展和人們生活。迫于此壓力，各國科技工作者開始了尋找和開發(fā)新型能源的探索，比如太陽能、風能、波浪能等。振動作為日常生活中的常見現(xiàn)象，由于其具有較高的能量密度，其潛在的能量價值已引起越來越多的研究者的關注。目前，用于實現(xiàn)振動能量收集的裝置主要有壓電式、電磁式和靜電式三種。對于這三種能量收集技術方案，理論上其供電壽命僅取決于組成振動能量收集裝置的各元器件的壽命，清潔環(huán)保，是一種典型的“綠色”能源技術。
[0004]基于此，目前出現(xiàn)了各種樣式的振動能量收集裝置，如以壓電材料為基礎的懸臂梁結構、Cymbal結構、疊堆形結構等，還有以電磁學為基礎的動圈式、動鐵式結構等，以及以電子學理論為基礎的駐極體式結構等?？v觀振動能量收集技術的研究現(xiàn)狀，上述振動能量收集裝置主要是單方向、單諧振頻率的，且諧振頻率較高，其使用場合對振動環(huán)境的選擇性很強，這樣在存在各種方向且振動頻率在一定范圍內變化的低頻振動的情況下，上述能量收集裝置收集的能量將非常有限，限制了其大眾化的推廣使用。
[0005]因此本申請發(fā)明人于2014年I月3日申請了專利號為CN2014100022797和CN2014200029170，發(fā)明名稱為“一種多方向壓電-電磁復合式振動能量收集裝置”的專利以解決以上問題，但是其仍然存在如下問題:
O該申請只能實現(xiàn)對較高頻率環(huán)境振動的能量收集，因為在低頻環(huán)境振動下，要想實現(xiàn)高效率的能量收集，必然要求其中的萬向角節(jié)型壓電換能器的剛度較小，以降低整個裝置的固有頻率，這就容易造成萬向角節(jié)型壓電換能器上粘貼的壓電陶瓷片在振動中由于變形過大而產(chǎn)生碎裂，因此存在不能進行低頻環(huán)境振動能量收集的缺陷。
[0006]2)該申請只能實現(xiàn)對某一頻率振動能量的有效收集，即屬于單諧振頻率振動能量收集裝置，因此存在不能在較寬頻率范圍內有效收集環(huán)境振動能量的缺陷。
[0007]針對以上缺陷， 申請人:重新進行設計，設計出本申請相關方案。
[0008]
【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對前述【背景技術】中的缺陷和不足，提供一種基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其可彌補現(xiàn)有振動能量收集技術中振動能量收集裝置只能敏感某個固定方向和某個固定頻率的振動、能量收集效率低及固有頻率較高等缺陷，無論振動方向如何變化，都能夠在一定頻率范圍內較高效率的收集到低頻環(huán)境振動能量。
[0010]本發(fā)明為解決上述技術問題，所采用的技術方案是:
本發(fā)明提供一種基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，包括底座、線圈、萬向壓電換能器、質量塊、連接彈簧、高頻永磁體、低頻永磁體和低頻彈簧，所述線圈設置于底座內部底面，所述質量塊位于底座內部中心，并通過兩個萬向壓電換能器與底座相連；所述萬向壓電換能器由兩個角型彈性金屬基片、剛性塊、上層壓電片和下層壓電片組成，所述剛性塊固定于角型彈性金屬基片的彎角處，所述上層壓電片和下層壓電片分別粘貼于角型彈性金屬基片的上、下兩個表面；所述高頻永磁體位于底座內部中心，并通過兩個萬向壓電換能器與底座相連；所述質量塊和高頻永磁體通過連接彈簧相連；所述低頻永磁體位于底座內部中心,并通過兩個低頻彈簧與底座相連。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述兩個角型彈性金屬基片呈垂直連接，經(jīng)論證兩個角型彈性金屬基片呈垂直連接收集效率最大。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述上層壓電片和下層壓電片為矩形形狀，且沿厚度方向極化，雖然本發(fā)明壓電片可沿不同方向極化，但是沿厚度方向極化后換能效果最佳。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述角型彈性金屬基片的夾角可以在0°至180°之間變化，本發(fā)明彎角可根據(jù)需要設計成不同的角度。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述連接彈簧和低頻彈簧的剛度大小不同，因為本發(fā)明對低頻彈簧強度往往有要求，而對連接彈簧沒有，因此本發(fā)明連接彈簧和低頻彈簧剛度可以不同。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述高頻永磁體和低頻永磁體安裝時極向相同，本發(fā)明高頻永磁體和低頻永磁體安裝時極向相同，也可以正常使用。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述底座為振動能量收集裝置殼體，本發(fā)明底座可為收集裝置以便于將能量及時收集。
[0017]采用上述方案后，本發(fā)明通過設置底座、線圈、萬向壓電換能器、質量塊、連接彈簧、高頻永磁體、低頻永磁體和低頻彈簧，在環(huán)境振動頻率較低或者不知道環(huán)境振動方向的情況或者環(huán)境振動頻率在一定范圍內變化時，也可以安裝使用，裝置適應性強；同時，振動能量收集裝置中復合了壓電式能量收集結構和電磁式能量收集結構，提高了振動能量收集裝置的能量收集效率，進一步增強了裝置的實用性。
[0018]與原申請相比，本申請還具有如下優(yōu)勢:
(I)本專利申請可以實現(xiàn)低頻環(huán)境振動的能量收集。本專利申請中通過設置低頻永磁體和高頻永磁體，可以實現(xiàn)將低頻環(huán)境振動轉換為高頻永磁體的高頻振動，進而引起與高頻永磁體連接的萬向壓電換能器的受迫振動，實現(xiàn)裝置由機械能到電能的轉換。
[0019](2)本專利申請可以實現(xiàn)寬頻帶的能量收集。本專利申請中通過設置連接彈簧連接高頻永磁體和質量塊，并設置高頻永磁體和質量塊的質量不同，可以拓寬裝置收集振動能量的頻帶，即實現(xiàn)裝置在一定頻率范圍內較高效率的收集環(huán)境振動能量。
[0020]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明中萬向壓電換能器的結構示意圖；
具體部件如下:
1、底座； 2、線圈；3、萬向壓電換能器；
31、角型彈性金屬基片；32、剛性塊；33、上層壓電片；
34、下層壓電片； 4、質量塊；5、連接彈簧；
6、高頻永磁體； 7、低頻永磁體；8、低頻彈簧。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖和實施例對發(fā)明做詳細的說明:
結合圖1所示，本發(fā)明提供一種基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，包括底座1、線圈2、萬向壓電換能器3、質量塊4、連接彈簧5、高頻永磁體6、低頻永磁體7和低頻彈簧8，下面分別介紹。
[0024]底座I為中空的立方體結構，以放置線圈2、萬向壓電換能器3、質量塊4、連接彈簧5、高頻永磁體6、低頻永磁體7和低頻彈簧8。
[0025]線圈2放置于底座I內部底面，且為環(huán)形平面結構，其選用電阻率小的銅芯線制作，線圈2的匝數(shù)可根據(jù)輸出電壓要求和振動頻率設計。
[0026]萬向壓電換能器3的數(shù)目可根據(jù)外界環(huán)境振動頻率的變化范圍不同進行設計，如在本實施例中設計為4個，其中，兩個萬向壓電換能器3兩端分別固定在底座I和質量快4上，另兩個萬向壓電換能器3兩端分別固定在底座I和高頻永磁體6上；配合圖2所示，萬向壓電換能器3由兩個角型彈性金屬基片31、剛性塊32、上層壓電片33和下層壓電片34組成；其中，角型彈性金屬基片31的夾角可以在0°至180°之間變化；上層壓電片33和下層壓電片34分別同向貼附于角型彈性金屬基片31的上表面和下表面，用以借助正壓電效應將機械能轉化為電能，所述的上層壓電片33和下層壓電片34沿厚度方向極化；剛性塊32設于角型彈性金屬基片31的夾角處，用來剛性固定角型彈性金屬基片31的夾角處以利于角型彈性金屬基片31的彎曲變形，需要說明的是，萬向壓電換能器3振動的固有頻率與外界環(huán)境無關，僅取決于萬向壓電換能器3的尺寸大小以及質量塊4、高頻永磁體6的質量。
[0027]質量塊4位于底座I內部中心，由金屬材料制成,可為球形結構或立方體結構，并與萬向壓電換能器3連接。
[0028]連接彈簧5的數(shù)目可根據(jù)萬向壓電換能器3和質量塊4的數(shù)目不同進行設計，如在本實施例中設計為I個，且連接彈簧5連接著質量塊4和高頻永磁體6。
[0029]高頻永磁體6由強磁材料制成，且連接著兩個萬向壓電換能器3。
[0030]低頻永磁體7由強磁材料制成，且連接著兩個低頻彈簧8。
[0031]低頻彈簧8的數(shù)目為2個，兩個低頻彈簧8兩端分別連接著底座I和低頻永磁體7，且兩個低頻彈簧8和連接彈簧5剛度系數(shù)不同。
[0032]本實施例在工作時，將裝置置于某一具有多個方向或振動頻率在一定范圍內變化的復雜低頻振動環(huán)境中，并借助底座I加以固定；環(huán)境中的低頻振動將誘發(fā)裝置中低頻永磁體7產(chǎn)生受迫振動，當?shù)皖l永磁體7向下運動時，低頻永磁體7和高頻永磁體6之間的作用力不斷增大，從而吸引高頻永磁體6向上運動，當?shù)皖l永磁體7向上運動時,低頻永磁體7和高頻永磁體6之間的作用力不斷減小，高頻永磁體6在與其相連接的萬向壓電換能器3的彈性力作用下向下運動，從而導致高頻永磁體6產(chǎn)生上下振動，由于高頻永磁體6振動的固有頻率遠高于低頻永磁體7振動的固有頻率，從而實現(xiàn)裝置由低頻到高頻的自激振動；高頻永磁體6的高頻振動進而引起與其連接的兩個萬向壓電換能器3的受迫振動，角型彈性金屬基片31將產(chǎn)生交替變化的彎曲變形，從而使得粘貼在角型彈性金屬基片31上的上層壓電片33和下層壓電片34產(chǎn)生交替變化的彎曲變形，根據(jù)壓電材料的正壓電效應，在上層壓電片33和下層壓電片34的正負電極面上產(chǎn)生正、負相反的電荷，即實現(xiàn)了由機械能到電能的轉換；由于粘貼時上層壓電片33和下層壓電片34的極化方向相反，因而在上層壓電片33的上電極面和下層壓電片34的下電極面將產(chǎn)生相同符號的電荷。由于本實施例的萬向壓電換能器3關于質量塊4呈中心對稱分布，且萬向壓電換能器3呈萬向節(jié)形式，因而不同方向的振動均能夠被感知。另外，通過設置高頻永磁體6和質量塊4具有不同的質量，并通過連接彈簧5相連接，從而拓寬了裝置收集振動能量的頻率范圍。此外，由于在底座I內部底面設置線圈2，在低頻永磁體7和高頻永磁體6的受迫振動中，線圈2將會產(chǎn)生切割磁力線運動，從而在線圈2中會產(chǎn)生感應電流，即實現(xiàn)了該復合式能量收集裝置電磁部分由機械能到電能的轉換，通過在振動能量收集裝置中集成壓電式能量收集結構和電磁式收集結構，不僅優(yōu)化了裝置整體的外形尺寸，同時也提高了振動能量收集裝置的發(fā)電量。由此可見，本發(fā)明實現(xiàn)了低頻、多方向、寬頻帶的振動能量收集。
[0033]需要說明的是，本發(fā)明可廣泛應用于野外通訊與傳感網(wǎng)絡設備、環(huán)境與氣候變化的監(jiān)測控制、建筑物(如橋梁、樓房等)和大型機械(如飛行器、輪船等)的結構健康監(jiān)測等需要能源自給的領域，其中的多個萬向換能器可用精密加工技術加工制作，以實現(xiàn)與微機電系統(tǒng)的集成；同時也可以采用傳統(tǒng)加工工藝方法，如切割、焊接等，制成大尺寸結構，以進一步增大整體結構的發(fā)電量。
[0034]綜上所述，本發(fā)明提出的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，能感知任意方向且頻率在一定范圍內變化的低頻環(huán)境振動，發(fā)電量較單一懸臂梁壓電結構或電磁式結構明顯增大，有效拓寬了該振動能量收集裝置的使用范圍，增強了其實用性。
[0035]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術實質所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護的范圍。
【權利要求】
1.基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，包括底座(1)、線圈(2)、萬向壓電換能器(3)、質量塊(4)、連接彈簧(5)、高頻永磁體(6)、低頻永磁體(7)和低頻彈簧(8 )，其特征在于:所述線圈(2 )設置于底座(1)內部底面，所述質量塊(4 )位于底座(1)內部中心，并通過兩個萬向壓電換能器(3)與底座(1)相連；所述萬向壓電換能器(3)由兩個角型彈性金屬基片(31)、剛性塊(32)、上層壓電片(33)和下層壓電片(34)組成，所述剛性塊(32)固定于角型彈性金屬基片(31)的彎角處，所述上層壓電片(33)和下層壓電片(34)分別粘貼于角型彈性金屬基片(31)的上、下兩個表面；所述高頻永磁體(6)位于底座(1)內部中心，并通過兩個萬向壓電換能器(3)與底座(1)相連；所述質量塊(4)和高頻永磁體(6)通過連接彈簧(5)相連；所述低頻永磁體(7)位于底座(1)內部中心，并通過兩個低頻彈簧(8)與底座(1)相連。
2.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述兩個角型彈性金屬基片(31)呈垂直連接。
3.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述上層壓電片(33)和下層壓電片(34)為矩形形狀，且沿厚度方向極化。
4.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述角型彈性金屬基片(31)的夾角可以在0°至180°之間變化。
5.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述連接彈簧(5)和低頻彈簧(8)的剛度大小不同。
6.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述高頻永磁體(6) 和低頻永磁體(7)安裝時極向相同。
7.如權利要求1所述的基于自激振動機理的多方向寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于:所述底座(1)為振動能量收集裝置殼體。
【文檔編號】H02N2/18GK104022687SQ201410264839
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】劉祥建, 李曉暉, 羅衛(wèi)平, 王珺 申請人:金陵科技學院