CN110445417B - 一种低频宽频带震动俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频宽频带震动俘能装置，包括基座，两个分别与基座固定连接、上下设置的呈等腰梯形的悬臂梁，悬臂梁的上下表面分别连有压电片，两个悬臂梁远离基座的一端通过两个弹簧和一个永磁铁连接，永磁铁的上下两端分别固定连接在两个弹簧上，两个弹簧上分别套设有连接在悬臂梁上的感应线圈。本发明两个平行设置的悬臂梁可以使压电装置在低频范围内存在多阶谐振频率，且各阶谐振频率之间的差值较小，拓宽了频带，对低频环境的适用性更广；两个悬臂梁存在不同的谐振频率，通过弹簧相连使能量在不同频率振动下可以互相传递，宽频适用性更广；两个悬臂梁自由端用弹簧连接永磁铁，永磁铁可以降低悬臂梁的谐振频率，对低频环境的适应性更强。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域中的压电-电磁复合俘能装置，尤其涉及一种低频宽频带震动俘能装置。
背景技术
近几年，便携式电子设备、微机电***(MEMS)和无线传感器网络在民用、军事、医疗和工业生产中得到了广泛应用。目前大多数的微电子产品都是利用化学电池提供电能，但由于传统电池存在能量密度小、需要定期更换或充电，以及污染环境等问题，难以满足微电子产品高速发展的需求。在我们生活环境的周围，存在着各种各样废弃的能量，例如太阳能、压力能、振动能等，俘获环境中的能源为微电子产品供能成为一种很有前景的技术，并引起了研究者的关注。太阳能和压力能虽然其能量密度比较高，但是由于其能量采集和供给技术的限制很难被广泛的应用到生活中。振动能在日常生活和工程实际中广泛存在，不易受位置、天气等因素的影响，并且具有较高的能量密度，因此越来越多的学者和专家致力于研究将环境中的振动能俘获并转换成电能，作为一种替代能源为微电子产品供能。压电材料具有能耗低，易于微型化等特点，压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，因此压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视，在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。
中国专利CN201711122064.9中公开的一种二维压电电磁混合式俘能器和中国专利CN201711121543.9中公开的一种两自由度压电电磁混合式俘能器为了感应低频震动，用弹簧来产生弹性放大从而使得应用广泛，但是用处单一，感应震动效果不均匀。中国专利CN201710454532.6中公开的一种压电电磁复合式振动俘能纽扣电池，其中弹簧用作传递压力，使压电片形变产生能量，但此法对压电片寿命会产生影响。
现有压电振动发电装置存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种低频宽频带震动俘能装置，该装置可以适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动能量回收。
技术方案：本发明所述的低频宽频带震动俘能装置，包括基座，两个分别与基座固定连接、上下设置的呈等腰梯形的悬臂梁，两个悬臂梁平行设置，所述悬臂梁的上下表面分别连有压电片，两个所述悬臂梁远离基座的一端通过两个弹簧和一个永磁铁连接，所述永磁铁的上下两端分别固定连接在两个弹簧上，两个所述弹簧上分别套设有连接在悬臂梁上的感应线圈。其中感应线圈的直径略大于弹簧和永磁铁的直径。
对于悬臂梁的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁的结构是在保证悬臂梁可以正常工作的情况下，悬臂梁的长度要长，可以降低悬臂梁的谐振频率。
作为优选，所述悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用串联或并联结构。若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。
作为优选，所述感应线圈的圆心正对永磁铁。
作为优选，所述压电片的形状与悬臂梁的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁的表面。
作为优选，所述基座的材质为亚克力玻璃材料。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)本发明采用的等腰梯形悬臂梁可以获得较为均匀的应力分布和较大的应力值，两个悬臂梁可以使压电装置在低频范围内存在多阶谐振频率，并且各阶谐振频率之间的差值较小，拓宽了频带，使其对低频环境的适用性更广；(2)两个悬臂梁存在不同的谐振频率，通过弹簧相连，使得能量在不同频率振动下可以互相传递，使其宽频适用性更广；(3)两个悬臂梁自由端用弹簧连接永磁铁，永磁铁可以被当做质量块，降低悬臂梁的谐振频率，使其对低频环境的适应性更强；(4)压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。
附图说明
图1是本发明装置的示意图；
图2是本发明装置的主视图；
图3是本发明装置的俯视图；
图4是本发明装置不含感应线圈的示意图；
图5是本发明装置的压电仿真数据图；
图6是本发明装置的上半线圈仿真数据图；
图7是本发明装置的下半线圈仿真数据图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，为本发明的低频宽频带震动俘能装置，包括由亚克力玻璃材料制备而成的基座1，两个分别与基座1固定连接、上下设置的呈等腰梯形的悬臂梁2(图3)，两个悬臂梁2平行设置，悬臂梁2的上下表面分别连有压电片3，压电片3的形状与悬臂梁2的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁2的表面，两个悬臂梁2远离基座1的一端通过两个弹簧4和一个永磁铁5连接，永磁铁5的上下两端分别固定连接在两个弹簧4上，弹簧4一端连接悬臂梁2的自由端，另一端连接永磁铁5(图4)，两个弹簧4上分别套设有连接在悬臂梁2上的感应线圈6，其中感应线圈6的直径略大于弹簧4的直径和永磁铁5的直径，保证和永磁铁5靠近，增强电磁俘能效果，感应线圈6的圆心正对永磁铁5。
对于悬臂梁2的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁2的结构是在保证悬臂梁2可以正常工作的情况下，悬臂梁2的长度要长，可以降低悬臂梁2的谐振频率。
位于悬臂梁2上表面和下表面的压电片3采用串联或并联结构。若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。
上下两个悬臂梁2的自由端通过弹簧4和永磁铁5连接，弹簧4用于固定永磁铁5，并对其运动方向加以约束，尽量保证永磁铁5振动方向为竖直方向，从而减少能量损耗，提高电磁俘能效率；两个悬臂梁2有不同谐振频率，弹簧4连接两个悬臂梁2，可以在震动时让其互相影响，从而使悬臂梁2在低频范围内可以出现多阶谐振频率，当***处于震动时，弹簧4和永磁铁5可吸收部分震动能量，并反馈给悬臂梁2，从而达到拓宽频带的目的。
可通过调整压电片3与悬臂梁2的厚度比、永磁铁5与压电片3的质量比以及永磁铁5和悬臂梁2的位置比来调整上下两个悬臂梁2各自的谐振频率，使其更适应低频环境。
本装置的工作过程如下：当外界力作用在基座1上时，基座1会把振动能量传递给上下两个悬臂梁2，悬臂梁2振动并发生弯曲，产生形变，黏贴在悬臂梁2上下表面的压电片3也会随之产生形变，由于压电片3是具有压电效应的压电材料，当压电片3产生形变时会引起压电片3表面的带电粒子偏离平衡位置，进而压电片3的上下表面就会产生电势差；另外，悬臂梁2的振动也会带动自由端的永磁铁5上下运动，永磁铁5与感应线圈6运动会产生相位差，永磁铁5和感应线圈6的相对运动导致通过感应线圈6的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应，闭合的感应线圈6便会产生感应电动势；由于两个悬臂梁2之间通过弹簧4相连，使得两个悬臂梁2之间的能量可以互相传输，使其宽频适用性更广，与一般的靠单谐振频率悬臂梁结构俘能装置比较，本发明装置的电磁发电能力提高，谐振频率点变多，宽频适应性更好，综合发电能力优异。
图5是本发明装置的压电仿真数据图，可以看出在低频段范围内，仿真结果有三个峰值，且频带较宽，适应性良好。图6是本发明装置的上半线圈仿真数据图，选取的在谐振峰值点的磁铁运动，可以看出峰对峰值电压大约为2.5V，根据负载电阻计算，功率大约1.25mw。图7是本发明装置的下半线圈仿真数据图，选取的在谐振峰值点的磁铁运动，可以看出峰对峰值电压大约为3V，根据负载电阻计算，功率大约1.5mw。
Claims (4)
1.一种低频宽频带震动俘能装置，包括基座(1)，两个分别与基座(1)固定连接、上下设置的呈等腰梯形的悬臂梁(2)，所述悬臂梁(2)的上下表面分别连有压电片(3)，其特征在于，两个所述悬臂梁(2)远离基座(1)的一端通过两个弹簧(4)和一个永磁铁(5)连接，所述永磁铁(5)的上下两端分别固定连接在两个弹簧(4)上，两个所述弹簧(4)上分别套设有连接在悬臂梁(2)上的感应线圈(6)；
所述感应线圈(6)的圆心正对永磁铁(5)；
所述感应线圈(6)的直径大于永磁铁(5)的直径。
2.根据权利要求1所述的低频宽频带震动俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁(2)上下表面的压电片(3)采用串联或并联结构。
3.根据权利要求1所述的低频宽频带震动俘能装置，其特征在于，所述压电片(3)的形状与悬臂梁(2)的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁(2)的表面。
4.根据权利要求1所述的低频宽频带震动俘能装置，其特征在于，所述基座(1)的材质为亚克力玻璃材料。
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| CN111082703B (zh) * | 2020-01-08 | 2023-07-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种灯浮标供电装置及带有该装置的灯浮标 |
| CN111355355B (zh) * | 2020-04-07 | 2021-04-27 | 南京邮电大学 | 一种可穿戴压电电磁复合俘能震动装置 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346696A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-10-09 | 杭州电子科技大学 | 阵列式复合能量采集器 |
| CN104836478A (zh) * | 2015-05-19 | 2015-08-12 | 北京理工大学 | 一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器 |
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| US10224835B1 (en) * | 2015-04-09 | 2019-03-05 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Broad spectrum and wide amplitude range vibration energy harvester: bistable piezoelectric transduction, synchronized extraction, self-actuated adaptation |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346696A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-10-09 | 杭州电子科技大学 | 阵列式复合能量采集器 |
| US10224835B1 (en) * | 2015-04-09 | 2019-03-05 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Broad spectrum and wide amplitude range vibration energy harvester: bistable piezoelectric transduction, synchronized extraction, self-actuated adaptation |
| CN104836478A (zh) * | 2015-05-19 | 2015-08-12 | 北京理工大学 | 一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器 |
| CN107508496A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-22 | 北京工业大学 | 带辅磁互双稳态多模振动发电装置 |
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