CN114039505B - 利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，包括紧凑振子阵列组件、振子阵列支架、非线性俘能组件以及固定支架组件；所述紧凑振子阵列组件安装在所述振子阵列支架上，所述振子阵列支架安装在所述固定支架组件顶端，所述振子阵列支架安装在所述固定支架组件的中部；所述紧凑振子阵列组件的端部能够沿竖直方向运动，所述紧凑振子阵列组件能够通过磁力驱动所述非线性俘能组件振动，从而输出电能。本发明通过利用多个不同谐振频率范围的弹簧振子单元实现了在不同外界激励频率下大幅响应，显著提升了压电俘能装置的实用性与适用性。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集领域，具体地，涉及一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，尤其地，涉及宽频非线性压电能量收集装置。
背景技术
利用振动俘能装置为微型器件供能已经受到越来越多科学研究和工程实践的重视。振动俘能装置通过收集环境中无处不在且源源不断的振动能量并转换为可用电能为例如可穿戴设备，无线传感器节点等低能耗设备供给电能。相比于化学原电池等传统电源，振动能量收集装置的工作寿命与其装置结构是否损坏有关，远远长于化学原电池的使用寿命。相比于化学原电池不需要频繁更换，不产生废气电池污染，是一种环境友好型能量收集装置。压电能量收集装置作为目前主流的振动俘能装置之一，具有转换效率高，结构简单，成本低廉等优势。
最常见的压电能量收集装置是线性振动收集装置，其工作原理主要基于悬臂梁等线性振子结构处于共振状态可以产生较大的振幅从而增加其固定端附近的压电元件中的应力变化范围从而实现高效振动能量收集与转换。如专利CN105932906B公开了一种压电能量收集装置及其制作方法。该压电能量收集装置利用振动块与压电振子一同构成的悬臂梁结构，通过线性悬臂梁结构利用振动源的条件以及压电材料的性能来获得最大输出功率。但这类线性振子的共振带宽极窄，当激励频率范围不在共振频率附近时，基于线性结构的压电能量收集装置的工作效率受到极大限制。考虑到环境中的振动频率分布范围较广，拓宽压电能量收集装置的工作带宽可以显著提高其实用性与工作效率。利用非线性永磁力实现非线性压电能量收集装置的设计可以显著拓宽俘能装置的工作带宽，并提高压电能量收集装置的工作效率。如专利CN111404419A公开了一种双磁铁多稳态压电式悬臂梁能量采集器。该发明利用环形与矩形两块磁铁，实现了***的三稳态或四稳态状态，拓宽了振动能量收集装置的带宽并提高了采集器的体积能量收集密度。非线性能量收集装置虽有效拓宽了能量收集装置的工作带宽，并通过增加振子的振幅提高了能量转换效率。但是其工作带宽的拓宽范围有限，相比于环境中较宽的振动频带仍会受到激励情况的制约。为了进一步拓宽压电能量收集装置的工作频带，利用悬臂梁阵列的设计可以实现多组结构中不同范围的共振频带的叠加从而实现宽频能量收集。如专利CN110601599A公开了一种基于悬臂梁的宽频带压电能量收集器，该能量采集装置包含多组悬臂梁形成悬臂梁阵列，利用每组不同长度的悬臂梁实现不同共振频率下的堆叠，实现了对多个谐振频率的振动能量进行有效地转换与输出。然而这类悬臂梁阵列式宽频压电能量收集装置由于悬臂梁的排布而难以实现紧凑的结构设计，从而造成采集器的体积能量收集密度极低，同时也不利于装置的集成化，制约俘能装置的实用化。
因此现有的压电能量收集装置具有结构不紧凑、非线性压电能量收集装置的频率拓宽范围有限等缺陷。
专利文献CN 108054952 B提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法，该能量收集器包括相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。但其仍然没有克服共振带宽窄的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置。
根据本发明提供的一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，包括紧凑振子阵列组件、振子阵列支架、非线性俘能组件以及固定支架组件；
所述紧凑振子阵列组件安装在所述振子阵列支架上，所述振子阵列支架安装在所述固定支架组件顶端，所述振子阵列支架安装在所述固定支架组件的中部；
所述紧凑振子阵列组件的端部能够沿竖直方向运动，所述紧凑振子阵列组件能够通过磁力驱动所述非线性俘能组件振动，从而输出电能。
优选的，所述固定支架组件包括立柱与底座，所述立柱垂直安装于所述底座，振子阵列支架安装在所述立柱的顶端，所述非线性俘能组件安装在所述立柱的中部；
所述底座的底部设置有安装面，所述安装面与外界部件连接。
优选的，紧凑振子阵列组件包括多个弹簧振子单元，所述弹簧振子单元包括弹簧与第一永磁铁，所述弹簧的一端安装在所述振子阵列支架上，另一端与所述第一永磁铁连接；所述多个弹簧振子单元中的弹簧刚度不完全相同，且所述多个弹簧振子单元呈阵列分布。
优选的，所述非线性俘能组件包括悬臂梁；压电元件和第二永磁铁；所述悬臂梁的一端与所述固定支架组件连接，所述第二永磁铁安装在所述悬臂梁的另一端，所述第二永磁铁的顶面与所述紧凑振子阵列组件的底面相对，且第二永磁铁的顶面大小与所述紧凑振子阵列组件的底面大小相匹配；
所述压电元件安装在所述悬臂梁上；
所述悬臂梁均需采用具有弹性形变特性的材料制成。
优选的，所述振子阵列支架包括第一连接部与第二连接部；所述第一连接部位于所述第二连接部的一端；所述第二连接部的另一端安装在所述固定支架组件的顶端；
所述第一连接部为凹槽阵列结构，所述凹槽阵列结构与所述紧凑振子阵列组件相匹配，且所述紧凑振子阵列组件安装在所述第一连接部内；
优选的，所述底座与所述立柱均采用铝合金材料制成。
优选的，所述悬臂梁采用铜合金材料制成。
优选的，所述压电元件采用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯制成。
优选的，所述振子阵列支架采用铝合金材料制成。
优选的，所述第一永磁铁与第二永磁铁均采用钕铁硼永磁铁。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过利用多个不同谐振频率范围的弹簧振子单元实现了在不同外界激励频率下大幅响应，显著提升了压电俘能装置的实用性与适用性。
2、本发明利用紧凑振子阵列组件和非线性永磁力实现超宽频非线性压电能量收集装置的设计，具有更高的结构紧凑性，具有更宽的工作带宽。
3、本发明结构紧凑，实用性强，可以广泛应用于各种机械结构。通过对外界振动能量的收集，为低功耗器件供能，不会产生污染物，是一种绿色型环保型的能量输出装置。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为振子阵列支架结构示意图；
图3为紧凑振子阵列组件的结构示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，包括紧凑振子阵列组件、振子阵列支架2、非线性俘能组件以及固定支架组件；如图1所示，所述紧凑振子阵列组件安装在所述振子阵列支架2上，所述振子阵列支架2安装在所述固定支架组件顶端，所述振子阵列支架2安装在所述固定支架组件的中部；所述紧凑振子阵列组件的端部能够沿竖直方向运动，所述紧凑振子阵列组件能够通过磁力驱动所述非线性俘能组件振动，从而输出电能。
所述固定支架组件包括立柱3与底座4，所述立柱3垂直安装于所述底座4，振子阵列支架2安装在所述立柱3的顶端，所述非线性俘能组件安装在所述立柱3的中部；在一个优选例中，所述底座4为矩形，所述底座4与所述立柱3采用铝合金材料制作。所述底座4的底部设置有安装面，所述安装面与外界部件连接，所述外界部件为所述利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置提供外部激励。
如图3所示，紧凑振子阵列组件包括多个弹簧振子单元，所述弹簧振子单元包括弹簧1与第一永磁铁8，所述弹簧1的一端安装在所述振子阵列支架2上，另一端与所述第一永磁铁8连接；所述多个弹簧振子单元中的弹簧1刚度不完全相同，且所述多个弹簧振子单元呈阵列分布。在一个优选例中，所述第一永磁铁8为小型块状永磁铁，所述弹簧1为螺旋弹簧，且所述弹簧1采用不锈钢材料制作。所述弹簧振子单元的固有频率通过所述弹簧1的刚度和所述第一永磁铁8的质量组合控制，优选的，可以采用使所述多个弹簧振子单元中的弹簧1长度不同的方式，达到不同弹簧振子单元固有频率不同的目的。在一个优选例中，所述紧凑振子阵列组件中的每个所述弹簧振子单元的固有频率连续不同。
所述非线性俘能组件包括悬臂梁6、压电元件5以及第二永磁铁7；所述悬臂梁6的一端与所述固定支架组件连接，具体的，所述悬臂梁6的一端与所述立柱3的中部连接。所述第二永磁铁7安装在所述悬臂梁6的另一端，所述第二永磁铁7的顶面与所述紧凑振子阵列组件的底面相对，且第二永磁铁7的顶面大小与所述紧凑振子阵列组件的底面大小相匹配，在一个优选例中，第二永磁铁7的顶面大小与所述紧凑振子阵列组件的底面大小相等。在一个优选例中，所述第二永磁铁7为大型块状永磁铁。在一个优选例中，紧凑振子阵列组件中的第一永磁铁8与非线性俘能组件中的第二永磁铁7正对并相互排斥。所述悬臂梁6采用具有弹性形变特性的材料制成，优选的，采用铜合金材料制成。
所述压电元件5安装在所述悬臂梁6上。优选的，所述压电元件5粘接在所述悬臂梁6靠近立柱3一端的上下两面，压电元件5可选用压电陶瓷PZT或柔性压电元件聚偏氟乙烯PVDF。
所述振子阵列支架2可采用铝合金材料制成，所述振子阵列支架2包括第一连接部9与第二连接部10；所述第一连接部9位于所述第二连接部10的一端；所述第二连接部10的另一端安装在所述固定支架组件的顶端；所述第一连接部9为凹槽阵列结构，所述凹槽阵列结构与所述紧凑振子阵列组件相匹配，且所述紧凑振子阵列组件安装在所述第一连接部9内，也就是说，所述弹簧振子单元的数量与所述振子阵列支架2中凹槽数量相同，且弹簧振子单元安装在凹槽中。在一个优选例中，所述第一连接部9与第二连接部10一体连接。在一个优选例中，如图2所示，振子阵列支架2为L型块体，长边末端连接在立柱顶端，短边内部为凹槽阵列结构。在一个优选例中，所述振子阵列支架2中第一连接部9的凹槽为3x3阵列。所述紧凑振子阵列组件中的所述第一永磁铁8与所述非线性俘能组件中的所述第二永磁铁7正对并相互排斥。在一个优选例中，所述第一永磁铁8与第二永磁铁7均采用钕铁硼永磁铁。
本发明的工作原理如下：
当外部激励通过底座4作用在所述紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置时，所述振子阵列支架2内安装的所述紧凑振子阵列组件中的所述第一永磁铁8由所述弹簧1带动开始沿竖直方向往复运动，每个所述弹簧振子单元的固有频率连续不同，其中至少有一个所述弹簧振子单元的固有频率接近外部激励频率。此时对应的所述第一永磁铁8将会实现大幅度的激振。所述紧凑振子阵列组件中的所述第一永磁铁8进一步激励所述非线性俘能组件中正对的所述第二永磁铁7，实现所述非线性俘能组件能够响应不同频率下的外界激励。所述第二永磁铁7在非线性永磁力的作用下使所述悬臂梁6的靠近立柱3的一端附近产生交变应力，粘接在所述悬臂梁6上的所述压电元件5将交变应力转换为电信号输出。当外界振动频率发生变化时，由于所述紧凑振子阵列组件具有多组不同谐振频率范围，在不同外界激励频率下所述紧凑振子阵列组件中的第一永磁铁8仍能实现大幅往复运动并进一步激励所述非线性俘能组件，从而使本发明在所述紧凑振子阵列组件和非线性永磁力的作用下实现超宽频非线性压电能量收集，进一步提高了实用性与工作效率。
本发明利用紧凑振子阵列组件和非线性永磁力实现超宽频非线性压电能量收集装置的设计。本发明相比常见悬臂梁阵列式宽频压电能量收集装置具有更高的结构紧凑性，相比常见非线性压电能量收集装置具有更宽的工作带宽。本发明通过利用多个不同谐振频率范围的弹簧振子单元实现了在不同外界激励频率下的大幅响应，显著提升了压电俘能装置的实用性与适用性。在非线性永磁力的作用下，本发明实现非线性振动能量收集从而进一步提高俘能效率。本发明同时解决了现有常见悬臂梁阵列式宽频压电能量收集装置的结构不紧凑和非线性压电能量收集装置的频率拓宽范围有限等缺陷。
本发明的弹簧振子单元中的第一永磁铁8进一步激励非线性俘能组件中正对的第二永磁铁7，实现非线性俘能组件能够响应不同频率下的外界激励，所述弹簧振子单元结构具有更高的紧凑性，有利于紧凑振子阵列组件中弹簧振子单元数量增加的同时保持整体结构的紧凑性。在保持整体结构紧凑的前提下，所设计的压电能量收集装置能够极大的拓宽其工作带宽，并在永磁力作用下实现非线性振动能量收集从而进一步提高其俘能效率。本发明结构紧凑，相比常见悬臂梁阵列式宽频压电能量收集装置和非线性压电能量收集装置，所述紧凑振子阵列组件具有多组不同谐振频率范围，通过谐振频率范围的叠加，使本发明具有更宽的工作带宽，并在非线性永磁力的作用下实现非线性振动能量收集从而进一步提高其俘能效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，包括紧凑振子阵列组件、振子阵列支架（2）、非线性俘能组件以及固定支架组件；
所述紧凑振子阵列组件安装在所述振子阵列支架（2）上，所述振子阵列支架（2）安装在所述固定支架组件顶端，所述振子阵列支架（2）安装在所述固定支架组件的中部；
所述紧凑振子阵列组件的端部能够沿竖直方向运动，所述紧凑振子阵列组件能够通过磁力驱动所述非线性俘能组件振动，从而输出电能；
所述固定支架组件包括立柱（3）与底座（4），所述立柱（3）垂直安装于所述底座（4），振子阵列支架（2）安装在所述立柱（3）的顶端，所述非线性俘能组件安装在所述立柱（3）的中部；
所述底座（4）的底部设置有安装面，所述安装面与外界部件连接；
紧凑振子阵列组件包括多个弹簧振子单元，所述弹簧振子单元包括弹簧（1）与第一永磁铁（8），所述弹簧（1）的一端安装在所述振子阵列支架（2）上，另一端与所述第一永磁铁（8）连接；所述多个弹簧振子单元中的弹簧（1）刚度不完全相同，且所述多个弹簧振子单元呈阵列分布；
所述非线性俘能组件包括悬臂梁（6）；压电元件（5）和第二永磁铁（7）；所述悬臂梁（6）的一端与所述固定支架组件连接，所述第二永磁铁（7）安装在所述悬臂梁（6）的另一端，所述第二永磁铁（7）的顶面与所述紧凑振子阵列组件的底面相对，且第二永磁铁（7）的顶面大小与所述紧凑振子阵列组件的底面大小相匹配；
所述压电元件（5）安装在所述悬臂梁（6）上；
所述悬臂梁（6）均需采用具有弹性形变特性的材料制成；
所述振子阵列支架（2）包括第一连接部（9）与第二连接部（10）；所述第一连接部（9）位于所述第二连接部（10）的一端；所述第二连接部（10）的另一端安装在所述固定支架组件的顶端；
所述第一连接部（9）为凹槽阵列结构，所述凹槽阵列结构与所述紧凑振子阵列组件相匹配，且所述紧凑振子阵列组件安装在所述第一连接部（9）内。
2.根据权利要求1所述的利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，所述底座（4）与所述立柱（3）均采用铝合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁（6）采用铜合金材料制成。
4.根据权利要求1所述的利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，所述压电元件（5）采用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯制成。
5.根据权利要求1所述的利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，所述振子阵列支架（2）采用铝合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的利用紧凑振子阵列的超宽频非线性压电能量收集装置，其特征在于，所述第一永磁铁（8）与第二永磁铁（7）均采用钕铁硼永磁铁。
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