基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置制造方法
【專利摘要】一種基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，包括底座、線圈、萬(wàn)向壓電換能器、質(zhì)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(shè)置于底座內(nèi)部底面；質(zhì)量塊位于底座內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器與底座相連；萬(wàn)向壓電換能器由兩個(gè)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(gè)表面；高頻永磁體位于底座內(nèi)部中心；質(zhì)量塊和高頻永磁體通過(guò)連接彈簧相連；低頻永磁體位于底座內(nèi)部中心。此裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)較低頻率和不同環(huán)境振動(dòng)方向條件下一定寬度頻帶內(nèi)振動(dòng)能量的有效收集，增強(qiáng)了裝置的實(shí)用性。
【專利說(shuō)明】基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型能源和電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)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(guó)的一個(gè)共同難題，并由此而造成的環(huán)境惡化和能源危機(jī)逐漸開(kāi)始影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活。迫于此壓力，各國(guó)科技工作者開(kāi)始了尋找和開(kāi)發(fā)新型能源的探索，比如太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能等。振動(dòng)作為日常生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象，由于其具有較高的能量密度，其潛在的能量?jī)r(jià)值已引起越來(lái)越多的研究者的關(guān)注。目前，用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量收集的裝置主要有壓電式、電磁式和靜電式三種。對(duì)于這三種能量收集技術(shù)方案，理論上其供電壽命僅取決于組成振動(dòng)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(shù)。
[0004]基于此，目前出現(xiàn)了各種樣式的振動(dòng)能量收集裝置，如以壓電材料為基礎(chǔ)的懸臂梁結(jié)構(gòu)、Cymbal結(jié)構(gòu)、疊堆形結(jié)構(gòu)等，還有以電磁學(xué)為基礎(chǔ)的動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)等，以及以電子學(xué)理論為基礎(chǔ)的駐極體式結(jié)構(gòu)等?？v觀振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀，上述振動(dòng)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(chǎng)合對(duì)振動(dòng)環(huán)境的選擇性很強(qiáng)，這樣在存在各種方向且振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)變化的低頻振動(dòng)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(qǐng)發(fā)明人于2014年I月3日申請(qǐng)了專利號(hào)為CN2014100022797和CN2014200029170，發(fā)明名稱為“一種多方向壓電-電磁復(fù)合式振動(dòng)能量收集裝置”的專利以解決以上問(wèn)題，但是其仍然存在如下問(wèn)題:
O該申請(qǐng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)較高頻率環(huán)境振動(dòng)的能量收集，因?yàn)樵诘皖l環(huán)境振動(dòng)下，要想實(shí)現(xiàn)高效率的能量收集，必然要求其中的萬(wàn)向角節(jié)型壓電換能器的剛度較小，以降低整個(gè)裝置的固有頻率，這就容易造成萬(wàn)向角節(jié)型壓電換能器上粘貼的壓電陶瓷片在振動(dòng)中由于變形過(guò)大而產(chǎn)生碎裂，因此存在不能進(jìn)行低頻環(huán)境振動(dòng)能量收集的缺陷。
[0006]2)該申請(qǐng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)某一頻率振動(dòng)能量的有效收集，即屬于單諧振頻率振動(dòng)能量收集裝置，因此存在不能在較寬頻率范圍內(nèi)有效收集環(huán)境振動(dòng)能量的缺陷。
[0007]針對(duì)以上缺陷， 申請(qǐng)人:重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出本申請(qǐng)相關(guān)方案。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)前述【背景技術(shù)】中的缺陷和不足，提供一種基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，其可彌補(bǔ)現(xiàn)有振動(dòng)能量收集技術(shù)中振動(dòng)能量收集裝置只能敏感某個(gè)固定方向和某個(gè)固定頻率的振動(dòng)、能量收集效率低及固有頻率較高等缺陷，無(wú)論振動(dòng)方向如何變化，都能夠在一定頻率范圍內(nèi)較高效率的收集到低頻環(huán)境振動(dòng)能量。
[0010]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明提供一種基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，包括底座、線圈、萬(wàn)向壓電換能器、質(zhì)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(shè)置于底座內(nèi)部底面，所述質(zhì)量塊位于底座內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器與底座相連；所述萬(wàn)向壓電換能器由兩個(gè)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(gè)表面；所述高頻永磁體位于底座內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器與底座相連；所述質(zhì)量塊和高頻永磁體通過(guò)連接彈簧相連；所述低頻永磁體位于底座內(nèi)部中心,并通過(guò)兩個(gè)低頻彈簧與底座相連。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述兩個(gè)角型彈性金屬基片呈垂直連接，經(jīng)論證兩個(gè)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(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)一步改進(jìn)，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(shè)計(jì)成不同的角度。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接彈簧和低頻彈簧的剛度大小不同，因?yàn)楸景l(fā)明對(duì)低頻彈簧強(qiáng)度往往有要求，而對(duì)連接彈簧沒(méi)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(jìn)一步改進(jìn)，所述高頻永磁體和低頻永磁體安裝時(shí)極向相同，本發(fā)明高頻永磁體和低頻永磁體安裝時(shí)極向相同，也可以正常使用。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述底座為振動(dòng)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(shí)收集。
[0017]采用上述方案后，本發(fā)明通過(guò)設(shè)置底座、線圈、萬(wàn)向壓電換能器、質(zhì)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(dòng)頻率較低或者不知道環(huán)境振動(dòng)方向的情況或者環(huán)境振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，也可以安裝使用，裝置適應(yīng)性強(qiáng)；同時(shí)，振動(dòng)能量收集裝置中復(fù)合了壓電式能量收集結(jié)構(gòu)和電磁式能量收集結(jié)構(gòu)，提高了振動(dòng)能量收集裝置的能量收集效率，進(jìn)一步增強(qiáng)了裝置的實(shí)用性。
[0018]與原申請(qǐng)相比，本申請(qǐng)還具有如下優(yōu)勢(shì):
(I)本專利申請(qǐng)可以實(shí)現(xiàn)低頻環(huán)境振動(dòng)的能量收集。本專利申請(qǐng)中通過(guò)設(shè)置低頻永磁體和高頻永磁體，可以實(shí)現(xiàn)將低頻環(huán)境振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻永磁體的高頻振動(dòng)，進(jìn)而引起與高頻永磁體連接的萬(wàn)向壓電換能器的受迫振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置由機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
[0019](2)本專利申請(qǐng)可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶的能量收集。本專利申請(qǐng)中通過(guò)設(shè)置連接彈簧連接高頻永磁體和質(zhì)量塊，并設(shè)置高頻永磁體和質(zhì)量塊的質(zhì)量不同，可以拓寬裝置收集振動(dòng)能量的頻帶，即實(shí)現(xiàn)裝置在一定頻率范圍內(nèi)較高效率的收集環(huán)境振動(dòng)能量。
[0020]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明中萬(wàn)向壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體部件如下:
1、底座； 2、線圈；3、萬(wàn)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(zhì)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(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明:
結(jié)合圖1所示，本發(fā)明提供一種基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，包括底座1、線圈2、萬(wàn)向壓電換能器3、質(zhì)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(jié)構(gòu)，以放置線圈2、萬(wàn)向壓電換能器3、質(zhì)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(nèi)部底面，且為環(huán)形平面結(jié)構(gòu)，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(dòng)頻率設(shè)計(jì)。
[0026]萬(wàn)向壓電換能器3的數(shù)目可根據(jù)外界環(huán)境振動(dòng)頻率的變化范圍不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為4個(gè)，其中，兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器3兩端分別固定在底座I和質(zhì)量快4上，另兩個(gè)萬(wàn)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(wàn)向壓電換能器3由兩個(gè)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(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(shè)于角型彈性金屬基片31的夾角處，用來(lái)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(shuō)明的是，萬(wàn)向壓電換能器3振動(dòng)的固有頻率與外界環(huán)境無(wú)關(guān)，僅取決于萬(wàn)向壓電換能器3的尺寸大小以及質(zhì)量塊4、高頻永磁體6的質(zhì)量。
[0027]質(zhì)量塊4位于底座I內(nèi)部中心，由金屬材料制成,可為球形結(jié)構(gòu)或立方體結(jié)構(gòu)，并與萬(wàn)向壓電換能器3連接。
[0028]連接彈簧5的數(shù)目可根據(jù)萬(wàn)向壓電換能器3和質(zhì)量塊4的數(shù)目不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為I個(gè)，且連接彈簧5連接著質(zhì)量塊4和高頻永磁體6。
[0029]高頻永磁體6由強(qiáng)磁材料制成，且連接著兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器3。
[0030]低頻永磁體7由強(qiáng)磁材料制成，且連接著兩個(gè)低頻彈簧8。
[0031]低頻彈簧8的數(shù)目為2個(gè)，兩個(gè)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(gè)低頻彈簧8和連接彈簧5剛度系數(shù)不同。
[0032]本實(shí)施例在工作時(shí)，將裝置置于某一具有多個(gè)方向或振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)變化的復(fù)雜低頻振動(dòng)環(huán)境中，并借助底座I加以固定；環(huán)境中的低頻振動(dòng)將誘發(fā)裝置中低頻永磁體7產(chǎn)生受迫振動(dòng)，當(dāng)?shù)皖l永磁體7向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)皖l永磁體7向上運(yùn)動(dòng)時(shí),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(wàn)向壓電換能器3的彈性力作用下向下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致高頻永磁體6產(chǎn)生上下振動(dòng)，由于高頻永磁體6振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)高于低頻永磁體7振動(dòng)的固有頻率，從而實(shí)現(xiàn)裝置由低頻到高頻的自激振動(dòng)；高頻永磁體6的高頻振動(dòng)進(jìn)而引起與其連接的兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器3的受迫振動(dòng)，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(yīng)，在上層壓電片33和下層壓電片34的正負(fù)電極面上產(chǎn)生正、負(fù)相反的電荷，即實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換；由于粘貼時(shí)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(hào)的電荷。由于本實(shí)施例的萬(wàn)向壓電換能器3關(guān)于質(zhì)量塊4呈中心對(duì)稱分布，且萬(wàn)向壓電換能器3呈萬(wàn)向節(jié)形式，因而不同方向的振動(dòng)均能夠被感知。另外，通過(guò)設(shè)置高頻永磁體6和質(zhì)量塊4具有不同的質(zhì)量，并通過(guò)連接彈簧5相連接，從而拓寬了裝置收集振動(dòng)能量的頻率范圍。此外，由于在底座I內(nèi)部底面設(shè)置線圈2，在低頻永磁體7和高頻永磁體6的受迫振動(dòng)中，線圈2將會(huì)產(chǎn)生切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而在線圈2中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即實(shí)現(xiàn)了該復(fù)合式能量收集裝置電磁部分由機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，通過(guò)在振動(dòng)能量收集裝置中集成壓電式能量收集結(jié)構(gòu)和電磁式收集結(jié)構(gòu)，不僅優(yōu)化了裝置整體的外形尺寸，同時(shí)也提高了振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電量。由此可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低頻、多方向、寬頻帶的振動(dòng)能量收集。
[0033]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于野外通訊與傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、環(huán)境與氣候變化的監(jiān)測(cè)控制、建筑物(如橋梁、樓房等)和大型機(jī)械(如飛行器、輪船等)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等需要能源自給的領(lǐng)域，其中的多個(gè)萬(wàn)向換能器可用精密加工技術(shù)加工制作，以實(shí)現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)的集成；同時(shí)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(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步增大整體結(jié)構(gòu)的發(fā)電量。
[0034]綜上所述，本發(fā)明提出的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，能感知任意方向且頻率在一定范圍內(nèi)變化的低頻環(huán)境振動(dòng)，發(fā)電量較單一懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)或電磁式結(jié)構(gòu)明顯增大，有效拓寬了該振動(dòng)能量收集裝置的使用范圍，增強(qiáng)了其實(shí)用性。
[0035]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)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(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，包括底座(1)、線圈(2)、萬(wàn)向壓電換能器(3)、質(zhì)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(shè)置于底座(1)內(nèi)部底面，所述質(zhì)量塊(4 )位于底座(1)內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器(3)與底座(1)相連；所述萬(wàn)向壓電換能器(3)由兩個(gè)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(gè)表面；所述高頻永磁體(6)位于底座(1)內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向壓電換能器(3)與底座(1)相連；所述質(zhì)量塊(4)和高頻永磁體(6)通過(guò)連接彈簧(5)相連；所述低頻永磁體(7)位于底座(1)內(nèi)部中心，并通過(guò)兩個(gè)低頻彈簧(8)與底座(1)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于:所述兩個(gè)角型彈性金屬基片(31)呈垂直連接。
3.如權(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)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(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)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(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)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(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)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(shí)極向相同。
7.如權(quán)利要求1所述的基于自激振動(dòng)機(jī)理的多方向?qū)掝l帶振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于:所述底座(1)為振動(dòng)能量收集裝置殼體。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104022687SQ201410264839
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:金陵科技學(xué)院