[發(fā)明專利]一種壓電-電磁耦合的上變頻多方向振動(dòng)俘能裝置

在審

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• 申請日: 2019-09-23
• 公開（公告）號(hào): CN110492788A
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 施閣;陳君富;朋焱盛;童迪科;常健
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;H02K35/02
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種壓電?電磁耦合的上變頻多方向振動(dòng)俘能裝置，包括固定基座、軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊和至少一個(gè)壓電?電磁耦合的懸臂梁，其特征在于至少一個(gè)壓電?電磁耦合的懸臂梁沿周向安裝在固定基座的軸上，所述的壓電?電磁耦合的懸臂梁包括壓電片、懸臂梁、線圈、梁上永磁體，每個(gè)懸臂梁的表面設(shè)置壓電片采集能量，梁上永磁體作為質(zhì)量塊放置在懸臂梁自由端，在梁上永磁體的軸向下方的固定基座上設(shè)置一個(gè)采集能量的線圈，在固定基座的中心軸上安裝一個(gè)軸承，軸承外圈上設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊，轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊上設(shè)置有至少一個(gè)永磁體，離軸心位置與懸臂梁上永磁體對(duì)應(yīng)，該裝置可以將外界的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電?電磁耦合懸臂梁的上變頻共振來采集能量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于振動(dòng)能量俘獲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電-電磁耦合的上變頻多方向振動(dòng)俘能裝置。

背景技術(shù)

隨著便攜式設(shè)備在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，便攜式設(shè)備的功耗也變得越來越低。這使得利用環(huán)境中的能量為便攜式設(shè)備提供能量變?yōu)榭赡堋Ｄ壳碍h(huán)境中可以利用的能量有光能、熱能、振動(dòng)能等，其中振動(dòng)能廣泛存在于我們生活環(huán)境中，如人體的運(yùn)動(dòng)，車輛的振動(dòng)等。為此研究人員已經(jīng)開始研究采集環(huán)境中的振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，為便攜式設(shè)備提供電能。

目前研究最多的環(huán)境振動(dòng)能量采集方式有電磁式、壓電式等，壓電式振動(dòng)俘能器輸出電壓較大，但是輸出電流較小，其輸出阻抗呈容性；電磁式振動(dòng)俘能器的輸出電壓較小，但是輸出電流較大，其輸出阻抗呈感性。而且，單一機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制的俘能器輸出功率和轉(zhuǎn)換效率較低，且工作頻帶和負(fù)載范圍較窄。所以，采用兩種方式耦合的形式進(jìn)行振動(dòng)能量的采集能提高采集效率。由于共振型的線性振動(dòng)俘能器，只有在其固有共振頻率點(diǎn)附近才有較高的輸出功率，懸臂梁尺寸越小，其固有共振頻率越高。目前人類應(yīng)用范圍內(nèi)的振動(dòng)多為低頻振動(dòng)，要采集這種低頻振動(dòng)，需要將低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換到懸臂梁的固有頻率振動(dòng)。因此很多研究者提出了各種調(diào)節(jié)壓電懸臂梁共振頻率的方法。如專利：CN201711190595.1，提出一種碰撞升頻式雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器，包括：撥片、壓電梁、擺砣、轉(zhuǎn)軸、磁鐵和圓形外殼底座，擺砣上磁鐵與圓環(huán)形外殼內(nèi)側(cè)磁鐵的排斥力使擺砣勢能存在兩個(gè)勢阱和一個(gè)勢壘。擺砣能夠根據(jù)外界激勵(lì)的大小，通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)壓電梁與撥片發(fā)生碰撞，使壓電梁高頻振動(dòng)產(chǎn)生電能，提高輸出功率。又如專利：CN201721590921.3公開了一種磁力耦合壓電電磁復(fù)合俘能器，包括：平動(dòng)磁鐵、懸浮磁鐵墊片、定子、撥齒、轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵、壓電懸臂梁、深溝軸承、轉(zhuǎn)子、感應(yīng)線圈和擾動(dòng)磁鐵，所述平動(dòng)磁鐵通過其周向力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵高頻轉(zhuǎn)動(dòng)，通過感應(yīng)線圈收集完成一次升頻，轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵通過深溝軸承帶動(dòng)壓電懸臂梁與撥齒發(fā)生碰撞后高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二次升頻。但這些振動(dòng)能量采集裝置中對(duì)壓電懸臂梁的撥動(dòng)都是靠接觸式的碰撞產(chǎn)生的，而不像非接觸式的碰撞能減小能量損失，并且沒有壓電-電磁直接耦合共振的高頻帶。

本發(fā)明公開了一種壓電-電磁耦合的上變頻多方向振動(dòng)俘能裝置，其特征在于固定基座、壓電片、線圈、永磁體、懸臂梁與扇形轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊上的永磁體等組成線性耦合與非線性耦合共同作用的復(fù)合型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較高的有效工作頻帶。但它的固有共振頻率較高，通過安裝在扇形轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊的致動(dòng)永磁體在靠近懸臂梁端部的永磁體時(shí)產(chǎn)生磁作用力，該非接觸的沖擊作用力，誘發(fā)懸臂梁的固有頻率振動(dòng)。實(shí)現(xiàn)將低頻的環(huán)境振動(dòng)轉(zhuǎn)換到懸臂梁工作頻帶的上變頻變化，懸臂梁的振動(dòng)能量通過線圈、和壓電片轉(zhuǎn)換成電能輸出，實(shí)現(xiàn)低頻運(yùn)動(dòng)非線性沖擊振動(dòng)能量采集。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：提出一種壓電-電磁耦合的上變頻多方向振動(dòng)俘能裝置，通過壓電-電磁耦合共振的方式提高俘能器的有效工作頻帶，利用上變頻復(fù)合式振動(dòng)解決俘能裝置在人體隨機(jī)擺動(dòng)下俘能效率低的問題。