[發明專利]雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器

有效

• 申請號: 202010165465.8
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111404419B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 冷永剛;孫帥令;張雨陽;蘇徐昆
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N2/00
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 董一寧

1.雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器，包括基座、懸臂梁、兩片PZT壓電陶瓷、兩塊磁鐵、以及導線，其特征是：兩塊磁鐵一塊是環形；另外一塊是矩形，基座(1)的形狀為凹形，左、右兩個立柱與基座的底面垂直，左側立柱內側固定有懸臂梁(2)，右側立柱內側固定有環形磁鐵(3)，懸臂梁的自由端固定有矩形磁鐵(6)，靠近懸臂梁根部設有上下兩層PZT壓電陶瓷(4)，每片PZT壓電陶瓷設有導線(5)用于將電信號輸出；由懸臂梁、環形磁鐵、矩形磁鐵各自的幾何尺寸和兩種磁鐵的間距，確定能量采集器處于三穩狀態或四穩狀態，兩塊磁鐵之間的距離由下述計算步驟確定：

(1)通過下式獲取所述懸臂梁彎曲時其自由端磁鐵偏轉角、水平位移與豎直位移的關系

式中，α懸臂梁自由端矩形磁鐵的偏轉角，x_C為懸臂梁自由端在豎直方向上的位移，l_C為懸臂梁的長度，y_C為懸臂梁自由端在水平方向上的位移；

(2)通過下式計算矩形磁鐵與環形磁鐵之間的非線性磁力

其中，i、j、k分別為x、y、與xy平面垂直的z方向上的單位矢量，F_i、F_j、F_k分別為x、y、z方向上的磁鐵力，M_A為矩形磁鐵的磁化強度，S₁、S₂分別為矩形磁鐵上、下表面的面積，S₁＝S₂＝t_Aw_A，t_A、w_A分別為矩形磁鐵的厚度和寬度，S₃、S₄分別為矩形磁鐵前、后表面的面積，S₃＝S₄＝t_Al_A，l_A為矩形磁鐵的長度，B_i、B_j、B_k分別為環形磁鐵在x、y、z方向上的磁感應強度；

(3)計算能量采集器處于三穩狀態或四穩狀態時的勢函數

總勢能

其中

式中，K_eq為系統的等效剛度，

在確定懸臂梁、矩形磁鐵和環形磁鐵的幾何尺寸之后，根據式(1)～(4)可得到勢函數圖像，依據勢函數圖像，即可獲取實現三穩狀態或四穩狀態的兩種磁鐵間距。

2.根據權利要求1所述的雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器，其特征是：所述環形磁鐵的中心與矩形磁鐵的中心水平對中放置，環形磁鐵與矩形磁鐵的磁極同性相對。

3.根據權利要求1所述的雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器，其特征是：實現所述能量采集器處于三穩狀態時，所述懸臂梁的尺寸：長60mm×寬10mm×厚0.15mm，所述矩形磁鐵的尺寸：高20mm×寬20mm×厚3mm，所述環形磁鐵的尺寸：外環直徑內環直徑厚度3mm，所述兩塊磁鐵間距為12～15mm；實現所述能量采集器處于四穩狀態時，懸臂梁的尺寸：長60mm×寬10mm×厚0.18mm，矩形磁鐵的尺寸：高30mm×寬30mm×厚3mm，環形磁鐵的尺寸：外環直徑內環直徑厚度3mm，所述兩塊磁鐵間距為8～10mm。