[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

本發明公開了一種雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器，基座的形狀為凹形，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，右側立柱內側固定有環形磁鐵，懸臂梁的自由端固定有矩形磁鐵。靠近懸臂梁根部設有上下兩層PZT壓電陶瓷，每片壓電陶瓷設有導線用于將電信號輸出。由懸臂梁、環形磁鐵、矩形磁鐵各自的幾何尺寸和兩塊磁鐵的間距，確定能量采集器處于三穩狀態或四穩狀態。本發明僅用環形與矩形兩塊磁鐵，便實現了系統三穩態或四穩態所具有的技術特征，為懸臂梁結構的振動能量收集器的設計應用提供了新的技術，相對減小了采集器所占據的體積，提高了采集器的體積能量收集密度。

技術領域

本發明屬于新能源采集技術，具體涉及一種采集振動能量并將其轉換為電能的裝置。

背景技術

環境中振動現象普遍存在，如車輛行駛、各種機械設備的運轉甚至于人員的行走等都會產生振動，正因為振動能量無處不在，所以振動能量采集器可以作為一種新的能源供給方式。振動能量采集系統根據其工作原理，主要分為壓電式、靜電式、電磁式三種。其中，壓電式是利用壓電材料的正壓電效應產生電能，壓電晶體受到外界振動力的作用可引起內部電荷的流動，從而可以產生電信號或輸出電能。

振動能量采集系統一般由基座、懸臂梁、PZT壓電陶瓷、以及質量塊等構成，其中懸臂梁作為接收或產生振動的部件，可產生較大的柔順系數和撓度。最早出現的是線性單穩壓電式懸臂梁振動能量采集器，“單穩”是指該能量采集器具有一個穩態作用點或區段。由于其只能在共振頻率附近一個勢阱中來回振蕩，能量收集頻帶較窄，收集環境中頻帶較寬的能量時效率較低。

在此基礎上專業研究者將線性壓電懸臂梁自由端的質量塊用矩形磁鐵替代，同時在基座上也固定一塊相同的矩形磁鐵，這就是非線性雙穩壓電式懸臂梁振動能量采集器。這種采集器中的兩塊磁鐵的同性磁極相對，二者相互排斥。通過調節兩磁鐵的間距可使懸臂梁處于“雙穩”狀態，懸臂梁會在兩個穩態勢阱中來回振蕩。與線性結構的“單穩”相比，非線性雙穩結構在收集環境中的寬帶能量時更具有適應性。

近年來，為了進一步擴寬能量收集頻帶，研究者又在雙穩結構基礎上，增多了基座上矩形磁鐵的數量，從而提出了非線性三穩、四穩壓電式懸臂梁振動能量采集器。

三穩態結構和四穩態結構分別包含三個穩態勢阱和四個穩態勢阱，在合適的結構參數下，系統可在三個或四個穩態勢阱之間來回躍遷。與雙穩結構相比較，三穩結構和四穩結構可以形成更大幅度的位移響應，其能量收集頻帶也更寬。然而，常規的三穩結構和四穩結構必須包含三塊矩形磁鐵和四塊矩形磁鐵，其在引入更多的穩態勢阱的同時也必須擁有更多的矩形磁鐵。磁鐵數目的增多，不僅增大了系統結構的復雜性和系統動力學分析的繁瑣性,也造成了能量收集器體積的增大,并相對降低了體積能量收集密度。

發明內容

為了彌補所述三穩和四穩壓電式懸臂梁振動能量采集器的技術缺陷，本發明的目的是提出了一種雙磁鐵多穩態壓電式懸臂梁能量采集器，該能量采集器僅用兩塊磁鐵，即可實現系統三穩態或四穩態所具有的技術特征。

本發明的技術方案包括能量采集器的結構和確定兩種磁鐵間距的計算步驟。

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、導線等。該結構的技術方案是：兩塊磁鐵一塊是環形；另外一塊是矩形。基座的形狀為凹形，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，右側立柱內側固定有環形磁鐵，懸臂梁的自由端固定有矩形磁鐵。靠近懸臂梁根部設有上下兩層PZT壓電陶瓷，每片PZT壓電陶瓷設有導線用于將電信號輸出。由懸臂梁、環形磁鐵、矩形磁鐵各自的幾何尺寸和兩塊磁鐵的間距，確定能量采集器處于三穩狀態或四穩狀態。

其工作原理是，具有彈性的懸臂梁一端(與基座)固定，另一端懸空(自由端)，當受到外界振動時，懸臂梁會產生上下振動。此時懸臂梁自由端上的磁鐵與基座上的磁鐵會發生相對運動，與懸臂梁固定在一起的壓電陶瓷就會產生電能。