CN102710168A - 一种低频多方向振动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过折叠弹性梁与外框架相连接，折叠弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁，折叠弹性梁的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。所述装置可以应用于各种大型机械机座或者振动元件、汽车引擎、搅拌机、洗衣机以及各种微结构中的低频振动能量回收。可以为各种便携式设备、无线传感器及微机电***提供电力。

Description

一种低频多方向振动能量回收装置

技术领域

本发明属于共振能量回收装置技术领域，涉及一种低频多方向振动能量回收装置。

背景技术

能量回收是指获取外界能量并将其转换为可利用电能的过程。在过去十年中，随着便携式设备、无线传感器及微机电***（MEMS）的快速发展，具有能量回收能力的材料和结构得到了广泛的关注和研究。对于这些需要自供电的装置，从周围环境的振动中回收能量无疑是一种最方便最具有潜力的方式。目前，美国、日本、荷兰、英国等国家已经开始了对清洁、可靠、廉价的微能源装置的研究，并着手研制基于压电原理的微型能源装置，为这些***提供能量。

目前振动能量回收技术研究主要有三种方式：静电式（electrostatic）、电磁式（electromagnetic）和压电式（piezoelectric），其中压电式能量回收装置是近十年的研究热点，因为压电材料能将外界振动能量直接转变为可利用的电能，而且结构简单易于整合到***之中。

压电式能量回收装置主要利用压电材料的压电效应，即压电材料在外力作用下变形并产生电荷，将机械能转化为电能。当发生共振时，压电材料就有最大的变形，就能产生可观的能量输出。这方面已经有大量的学者研究过，目前主要的形式有：压电悬臂梁结构、压电圆盘结构、钹式压电结构、压电螺旋结构等。不同构型的压电能量回收装置包括：单层、双层压电悬臂梁，推拉直压式结构，膜片式结构，管状、辐射状结构，以及钹式压电结构。通过调节结构的尺寸来改变其固有频率，以与环境振动的频率一致。一般在结构的端部添加质量较大的质量块来降低结构的共振频率。

早在1996年，英国科学家Williams和Yates提出了“在振动环境中嵌入压电陶瓷来进行能量采集”的方案。此自供电装置在70Hz的振动频率下产生1μW的电能，在330Hz的情况下能产生0.1mW的电能。该实验表明，压电陶瓷作为将机械能转化为电能的媒介，在低频范围的能量转化效率有待提高。

虽然随后十几年，人们设计了各种各样的结构来进行机械振动能量的回收，以期得到一些有价值的应用。但是目前这些装置的设计原则大多仍依赖于一种过于简单的物理模型。例如，参照广泛使用的单自由度“弹簧-质量”***模型，通过改变材料和结构几何参数，将能量回收装置调谐到一个特定的共振频率上，以期得到较大的能量转换效率。然而应用这种简单的单自由度“质量-弹簧”***或者悬臂梁结构进行研究和试验具有很大的局限性，离工程实际应用差距很大。因为在实际中，环境振动的能量并非分布于单一频率上，而是具有一定的频宽，绝大多数振动源的频率分布在50～250Hz之间。

最近，对于宽频带和可调频振动能量回收装置的研究也受到了越来越多的关注。Shahruz等设计的被动式能量捕获装置是将多个不同固有频率的悬臂梁连接在公共底座上组成。通过适当选择每个悬臂梁的长度和末端质量，可以使装置在宽的频率范围内发生共振。Marinkovic等也提出了一种宽频带的压电能量回收结构。然而这样的两种结构都使得装置的尺寸和成本显著增加，不利于结构的微型化。

对于这些传统的压电能量回收装置，要满足环境振动能量回收的低频和宽频带要求，势必要增大结构的尺寸和和成本，很难应用于自供电微***。更重要的是：这些传统压电能量回收装置只对一个方向上的振动起作用，对于其他方向的振动，没有任何电能输出。

声子晶体是一种具有周期结构的新型功能材料，由于其良好的振动和滤波特性，引起了国内外极大的关注。声子晶体能够利用波的基本特性（如散射、干涉）和结构的局域共振特性，在某些频带范围形成完全禁带，阻止这些频带的波在结构中向各个方向的传播。也因此声子晶体分为两种：Bragg散射型声子晶体和局域共振型声子晶体。对于Bragg散射型声子晶体，适当地引入点缺陷或线缺陷，就可以在结构中形成高Q值得共振腔或者波导，它的这一特性使其具有应用于各种各样的器件和装置中的潜在优势。

最近两年，用声子晶体作为回收环境振动能量也受到了人们的关注和研究。但有三个较大的缺点：一是结构庞大，这样的结构的共振频率要想达到50～250Hz的低频阶段，其结构的一个周期就需达到0.7米以上，离实际应用相差甚远；二是单频，对于已经确定的声子晶体结构，引入的缺陷也只能在单一频率处产生共振形成共振腔；三是设计难度，针对一个频率下的共振，需要设计具有同样共振频率的压电片与其匹配。对于多功能能量回收装置，仍然采用的是悬臂梁结构，由于结构限制，其共振频率难以降至低频。

刘正猷于2000年在Science上首次提出局域共振型声子晶体的概念，并利用较小尺寸的结构获得了低频带隙。他们用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，进行了相应的实验。理论和实验都证实这一单元特征长度为2cm的结构具有400Hz左右的低频带隙，比同样尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。这种结构的最大优势是它的低频特性，但仍然离实际应用有些差距。这一装置的缺点是：压电材料难以植入到软橡胶包覆层中，即使采用新型压电材料充当包覆层，由于固体中振动量大小的限制，其能量回收的效率很低。

综上所述，对于回收环境中分布于50～250Hz频段的低频振动能量，现有的回收装置，要么达不到环境振动能量回收的低频要求；要么能达到低频要求但是结构很大不利于装置的微型化；要么装置只对单一频率或者较窄的频带有效；要么不具有多方向回收功能；要么设计上存在一定的难度，或者回收效率较低。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种低频多方向振动能量回收装置，该装置能够满足低频、多方向的要求，并进一步提供全方向、宽频的优化方案，可应用于各种大型机械机座或者各种微结构中的低频振动能量回收。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过折叠弹性梁与外框架相连接，折叠弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁，折叠弹性梁的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。

所述的质量块和外框架均为方形的，质量块位于外框架的中心，质量块的每一边上均通过一条折叠弹性梁与外框架的一边相连接，折叠弹性梁由外向内逐层折叠呈锥形。

所述的折叠弹性梁的有效刚度由折叠弹性梁的厚度和折叠次数来调节；能量回收装置的共振频率和共振带隙由质量块的材料和折叠弹性梁的材料来调节。

所述的压电片为压电陶瓷片，贴在折叠弹性梁应变最大处的表面。

所述的质量块的高度和折叠弹性梁的高度均可调。

所述的压电片贴在折叠弹性梁的水平表面和垂直表面上。

所述的外框架内包括多个质量块，一个质量块与其相连接的折叠弹性梁构成一个单元，每个质量块位于一个单元的中心，所有单元的折叠弹性梁的折叠方式相同；相邻的单元通过折叠弹性梁相互连接而串联，与外框架相邻的折叠弹性梁与外框架相连接。

所述的多个质量块的质量相同或不同，折叠弹性梁的厚度、宽度相同或不同。

所述的质量块为四个或多个。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的低频多方向振动能量回收装置，通过质量块和折叠弹性梁的折叠设计首先解决了低频多方向的问题。根据局域共振结构的局域化作用，当振动以波的形式在结构中传播时，由于共振单元与基体行波的耦合作用，振动能量不断被共振单元所局限，在弹性层的势能和质量块的动能之间相互转化。将压电材料植入变形较大的弹性层中，就能将局限在单元共振结构中的能量源源不断地转化为电能输出。而且这样的设计还有两个好处：其一，折叠弹性梁的有效刚度可以通过梁厚度和折叠次数来有效调节；其二，折叠弹性梁结构便于压电材料的附着和安放，将压电陶瓷片贴在弹性梁应变最大的地方的表面，解决了传统局域共振结构的包覆层难于植入压电材料的问题。

进一步，通过质量块和折叠弹性梁高度的设计解决了全方向的问题，并在弹性折叠梁的水平表面和垂直表面上都应贴上压电片，不论振动从上下左右任何角度入射，弹性折叠梁都会产生变形，装置都能输出电能。

更进一步，通过多个单元的串联解决了宽频的问题，具体的可在一个四倍于原有大小的方形外框中间放四个质量块，一个质量块与其相连接的折叠弹性梁构成一个共振单元，每个质量块位于一个共振单元的中心。当四个共振单元的材料和结构尺寸都一样时的能量回收装置在各个方向振动输入时，四核分形结构能量回收装置在250Hz以下范围内具有多于30个共振频率，而且最低共振频率达到12Hz。这大大提高了能量回收装置的低频和宽频特性。如果每个单元采用不同质量的质量块、不同宽度或者折叠次数的弹性梁，此能量回收装置将在低频范围将具有更多的共振频率。

基于以上设计，本发明具有以下技术效果：

多于30个共振频率位于250Hz以下的低频范围，最低共振频率达到12Hz，满足宽频的要求；

在250Hz以下具有30个以上的共振频率，具有宽频带特性，具有较高的回收效率；

装置单元结构的边长可以小于5cm，满足结构的微型化要求；

二维结构在二维空间具有全方向回收功能，三维结构在三维空间具有全方向回收功能，满足环境中振动的多方向要求；

设计简单，易于加工和制造。

根据上述特点，它可以应用于各种大型机械机座或者振动元件、汽车引擎、搅拌机、洗衣机以及各种微结构中的低频振动能量回收。可以为各种便携式设备、无线传感器及微机电***提供电力。

附图说明

图1为能量回收装置的二维结构示意图；其中，1为质量块，2为弹性折叠梁，3为外框架；

图2为在二维各个方向的共振频率的能带结构图；其中，ΓX、ΓY、ΓM方向为沿结构的水平、垂直、斜对角方向；图中的a,b能带为55Hz处两个共振平直带；c能带为119Hz共振带；d能带为222Hz处共振带；e,f能带为225Hz处共振带；g能带为230Hz处共振带。

图3为能量回收装置的三维结构示意图；其中，1为质量块，2为弹性折叠梁，3为外框架；

图4为能量回收装置的多单元串联结构示意图；请调整附图中的附图标记1为质量块，2为弹性折叠梁，3为外框架；

图5为能量回收装置在各个方向上的共振频率的能带结构图；ΓX、ΓY、ΓM方向为沿结构的水平、垂直、斜对角方向。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

所提供的低频多方向振动能量回收装置，首先是低频多方向多谐振解决方案：

局域共振机理认为，在外部弹性波的激励下，共振单元产生共振，并与基体中的低频行波发生相互耦合作用，从而抑制其传播，导致了带隙的产生。带隙的位置和宽度可以通过声子晶体的结构（如三角、四方等）、尺寸（如晶格常数）、组分（如二组元、三组元）、材料及填充率来调节，并且与共振单元的排列方式无关。刘正猷等人对局域共振声子晶体在共振频率下原胞的位移分布进行了分析，并指出：在较低共振频率，芯球以较大的振幅振动，带动包覆层运动；在较高共振频率，振动局限在包覆层中，而芯球的位移很小。在两种情况下，变形最大的地方都处于包覆层中。这样的局域共振结构都可以简化为的负有效质量***，芯球相当于质量块m，包覆层提供弹性K（以下称为弹性层），基体相当于外部质量M。不论外部激励的频率是否位于带隙中，他们都将做同相或者反相的运动。只要M和m之间都存在相对运动，连接他们的弹簧K就会产生变形，不断储存和释放弹性势能。当外部激励的频率位于低频谐振频率附近时，质量块以最大的振幅振动，弹簧将产生最大的变形。质量块的动能与弹簧的弹性势能间相互转化，能量不能向前传播，这就是局域共振结构对能量的局域化作用。结构在低频范围的的共振频率越多，品质因子越高，这种局域化作用就越强烈。

根据局域共振结构的局域化作用，当振动以波的形式在结构中传播时，由于共振单元与基体行波的耦合作用，振动能量不断被共振单元所局限，在弹性层的势能和质量块的动能之间相互转化。根据局域共振结构中位移分布可知，只要将压电材料植入变形较大的弹性层中，就能将局限在单元共振结构中的能量源源不断地转化为电能输出。

在传统局域共振结构的基础上，本发明利用利用四组折叠状的弹性梁充当弹性元件，设计了一种能量回收结构，如图1所示：

一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块1和外框架3，质量块1位于外框架3的中心，质量块1通过折叠弹性梁2与外框架3相连接，折叠弹性梁2上设有压电片；质量块1的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁2，折叠弹性梁2的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。

具体的所述的质量块1和外框架3均为方形的，质量块1的每一边上均通过一条折叠弹性梁2与外框架3的一边相连接，折叠弹性梁2由外向内逐层折叠呈锥形。

这样的设计有三个好处：其一，折叠弹性梁结构便于压电材料的附着和安放，将压电片（压电陶瓷片）贴在弹性梁应变最大的地方的表面，解决了传统局域共振结构的包覆层难于植入压电材料的问题；其二，振动能量分布在较小面积的折叠弹性梁上，更利于集中回收；其三，折叠弹性梁的有效刚度可以通过折叠弹性梁的厚度和折叠次数来有效调节，通过改变折叠弹性梁的结构参数可以有效降低结构的共振频率。

通过改变中心质量块的材料和边长，改变折叠弹性梁的材料、厚度和折叠次数，可以对本能量回收装置的共振频率和结构的共振带隙进行调节。具体提供以下设计：

质量块为方形，材料为金属铅（铅：ρ_铅=11600kg/m³，E_铅=40.8GPa，μ_铅=14.9GPa）；

折叠弹性梁的材料为有机玻璃（ρ_有机玻璃=1142kg/m³，E_有机玻璃=2.0GPa，μ_有机玻璃=0.72GPa）；结构尺寸分别为：折叠弹性梁的边长a=22mm，质量块边长b=12mm；折叠弹性梁的厚度h=0.3mm，弹性梁折叠三次后的均等间隔t=1mm。

对其在振动从各个方向输入的情况下，这一能量回收装置的共振频率进行了计算，结构如图2所示（也是声子晶体的能带结构），从图中的能带结构中可以看到，本能量回收装置在各个方向上都具有较低的共振频率和带隙。在ΓM方向上（即沿结构的斜对角入射），在55Hz（两种模态）、119Hz、222Hz（两种模态）、225Hz和230Hz分别具有7个相对平坦的共振带，并且都位于50～250Hz的范围内。在ΓX和ΓY方向上（即垂直于结构的边界入射），除了有两个模态的共振频率随着入射波长的改变而有较大的改变以外，各共振频率基本上与ΓM方向一致。对于图中XM、YM区域，随着波入射的方向从ΓX或ΓY方向逐渐向ΓM方向偏转，本能量回收装置的共振频率基本保持不变。这说明了本能量回收装置在二维全方向上都具有低频、多谐振的特性，而且各谐振频率都位于50～250Hz的范围内。

压电陶瓷片贴在各弹性折叠梁的侧面应变最大的地方，当结构在上述各共振频率处发生共振时，弹性梁带动压电片将发生很大的变形，从而输出较多的电能。

在上述基础上，提供全方向解决方案：

对于上述结构，对于二维平面内，不管振动从哪个方向传播到达安装能量回收装置的地方，此装置都是有效的。但是对于三维空间，如果振动垂直于纸面输入到结构中，此结构将无法输出电能。因此设计了三维全方向能量回收装置，如图3所示：在二维设计的基础上，增加了质量块1和折叠弹性梁2的高度的设计。此时，在弹性折叠梁2的水平表面和垂直表面上都应贴上压电片，不论振动从上下左右任何角度入射，弹性折叠梁2都会产生变形，装置都能输出电能。

更进一步，提供宽频解决方案：

如图4所示，具体的可在二维结构的基础上，在一个四倍于原有大小的方形外框架3中间放四个质量块1，以一个质量块1与其相连接的折叠弹性梁2构成一个单元，每个质量块1位于一个单元的中心，所有单元的折叠弹性梁2的折叠方式相同；相邻的单元通过折叠弹性梁2相互连接而串联，连接相邻质量块的弹性折叠梁2不再与外框架连接，其他的弹性折叠梁2与外框架3相连接，这样多个能量块1就构成了多个共振单元。

为了使能量回收装置在50～250Hz的范围内具有更密集的共振频率，具体采用了四核分形结构，其结构单元如图4所示。每个质量块共振单元都有自己的共振频率，每两个质量块又可以组成一个共振单元而增加一个低频共振频率，每三个、四个质量块也是如此。计算了当四个共振单元的材料和结构尺寸都一样时的能量回收装置在各个方向振动输入时的共振频率，如图5所示，从图中可以看到，这种四核分形结构在250Hz以下的低频范围，所有方向上都具有很多共振平直带（对应结构在该方向上的共振频率），这些共振频率只是在ΓX、ΓY方向上发生了一些改变，在其他方向基本保持不变。

四核分形结构能量回收装置在250Hz以下范围内具有多于30个共振频率，而且最低共振频率达到12Hz。这大大提高了能量回收装置的低频和宽频特性。如果每个单元采用不同质量的质量块、不同宽度或者折叠次数的弹性梁，此能量回收装置将在低频范围将具有更多的共振频率，因而实现了能量回收装置的宽频带功能。

根据图5所示的能量回收装置在各个方向上的共振频率可以看出，本发明达到的技术效果：

①多于30个共振频率位于250Hz以下的低频范围，最低共振频率达到12Hz，满足要求；

②在250Hz以下具有30个以上的共振频率，具有宽频带特性，具有较高的回收效率；

③装置单元结构的边长小于5cm，满足结构的微型化要求；

④二维结构在二维空间具有全方向回收功能，三维结构在三维空间具有全方向回收功能，满足环境中振动的多方向要求；

⑤设计简单，易于加工和制造。

根据本能量回收装置的上述特点，它可以应用于各种大型机械机座或者振动元件、汽车引擎、搅拌机、洗衣机以及各种微结构中的低频振动能量回收。可以为各种便携式设备、无线传感器及微机电***提供电力。

Claims (9)

1.一种低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，包括质量块（1）和外框架（3），质量块（1）位于外框架（3）之内，质量块（1）通过折叠弹性梁（2）与外框架（3）相连接，折叠弹性梁（2）上设有压电片；质量块（1）的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁（2），折叠弹性梁（2）的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。

2.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的质量块（1）和外框架（3）均为方形的，质量块（1）位于外框架（3）的中心，质量块（1）的每一边上均通过一条折叠弹性梁（2）与外框架（3）的一边相连接，折叠弹性梁（2）由外向内逐层折叠呈锥形。

3.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的折叠弹性梁（3）的有效刚度由折叠弹性梁的厚度和折叠次数来调节；能量回收装置的共振频率和共振带隙由质量块（1）的材料和折叠弹性梁（3）的材料来调节。

4.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的压电片为压电陶瓷片，贴在折叠弹性梁（2）应变最大处的表面。

5.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的质量块（1）的高度和折叠弹性梁（2）的高度均可调。

6.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的压电片贴在折叠弹性梁（2）的水平表面和垂直表面上。

7.如权利要求1所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，外框架（3）内包括多个质量块（1），一个质量块（1）与其相连接的折叠弹性梁（2）构成一个单元，每个质量块（1）位于一个单元的中心，所有单元的折叠弹性梁（2）的折叠方式相同；相邻的单元通过折叠弹性梁相互连接而串联，与外框架（3）相邻的折叠弹性梁（2）与外框架（3）相连接。

8.如权利要求7所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的多个质量块（1）的质量相同或不同，折叠弹性梁（2）的厚度、宽度相同或不同。

9.如权利要求7所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的质量块（1）为四个。

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