[發明專利]一種基于風致振動的壓電-電磁耦合能量收集裝置及方法

有效

• 申請號: 202011319619.0
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112491297B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 周茂瑛;黃世帆;孟愛華;王班;代裴飛;魏德華
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

1.一種基于風致振動的壓電-電磁耦合能量收集方法，其特征在于：采用的能量收集裝置包括第一運動結構、夾具體、第二運動結構和柔性扇葉；所述的第一運動結構包括懸臂梁和壓電陶瓷；懸臂梁的兩側面均固定壓電陶瓷；懸臂梁的一端開設有過孔，另一端固定在夾具體上；柔性扇葉固定在懸臂梁開設過孔的一端，且柔性扇葉與過孔同軸設置；所述的柔性扇葉設有至少三片葉片；所述的第二運動結構包括空心管、端蓋、第一固定永磁鐵、第二固定永磁鐵、矩形調頻板和懸浮磁鐵；所述的空心管和柔性扇葉均采用非鐵磁材料；空心管的中間位置與懸臂梁的過孔固定；空心管的兩端均固定有端蓋；所述端蓋的側部開設有矩形凹槽，端蓋內端設有一體成型調頻凸臺；調頻凸臺置于空心管內，并與空心管同軸設置；調頻凸臺的端面開設有圓柱孔，側部開設有沿軸向等距排布且與圓柱孔連通的若干調頻槽；所述的圓柱孔內放置有第一固定永磁鐵，矩形凹槽內放置有第二固定永磁鐵，其中一個調頻槽內插有矩形調頻板；第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵相互吸附；空心管內設有懸浮磁鐵；懸浮磁鐵與空心管兩端的兩個第一固定永磁鐵相互排斥；空心管外壁位于懸臂梁的過孔兩端位置處均固定有多匝感應線圈；

該能量收集方法具體如下：

將夾具體固定，當柔性扇葉與外界流動的風力發生流固耦合時失穩發生振動，并對風力產生的振幅進行放大，傳遞給第一運動結構和第二運動結構；其中，柔性扇葉設計成多片葉片的形式，能收集外界不同方向的風致振動，使柔性扇葉的振幅增大；第一運動結構中，懸臂梁產生上下振動，使得壓電陶瓷發生變形產生壓電效應，實現風能轉化為電能，柔性扇葉提高懸臂梁的振幅，提高壓電陶瓷產生的電勢差，從而提高輸出電壓；第二運動結構中，空心管產生上下振動，使空心管內的懸浮磁鐵受到空心管兩端兩個第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵組合的排斥力作用，產生偏離平衡位置的振動，空心管外部多匝感應線圈中的磁通量發生變化，且多匝感應線圈隨空心管上下振動過程中做切割磁感線運動，從而實現風能轉化為電能，柔性扇葉提高懸浮磁鐵的振動頻率，增大多匝感應線圈的磁通變化率，從而增大感應電壓；其中，根據外界風致振動的頻率，將矩形調頻板插入不同位置調頻槽內，調節第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵與懸浮磁鐵的距離，從而形成不同的固有頻率，以適應不同的外界風致振動頻率，提高懸浮磁鐵的振幅，從而提高能量收集效率；

其中，第一運動結構的壓電模型為

式中，m_p為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁模態質量，y為兩側面均固定壓電陶瓷的懸臂梁模態位移，為y對時間t的一階導數，為y對時間t的二階導數，η_p為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁模態等效阻尼系數，K_p為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁模態線性系數，F₀為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁的模態激勵幅值，ω懸臂梁端部所受外部激勵的角頻率，μ為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁受風力作用的模態機電耦合系數，V_P為壓電陶瓷的輸出電壓，為V_P對時間t的一階導數，C_p為兩側面固定有壓電陶瓷的懸臂梁模態等效電容，I_P(t)為壓電陶瓷在時間t時的輸出電流；

第二運動結構的電磁耦合模型為

z＝z₀cosωt (5)

式中，m為懸浮磁鐵的質量，x為懸浮磁鐵的位移，為x對時間t的一階導數，為x對時間t的二階導數，z為空心管的位移，為z對時間t的一階導數，z₀為空心管在風力作用下的振動幅值，η為懸浮磁鐵與兩端兩個第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵組合模態等效阻尼系數，K為兩端兩個第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵組合模態線性彈性系數，k₃為兩端兩個第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵組合模態三次非線性彈性系數，M為第二運動結構的總質量，g為重力加速度，i_m為多匝感應線圈的感應電流，R_i為多匝感應線圈的內阻，R_l為外部負載的電阻，α為懸浮磁鐵與兩端兩個第一固定永磁鐵和第二固定永磁鐵組合模態機電耦合系數。

2.根據權利要求1所述一種基于風致振動的壓電-電磁耦合能量收集方法，其特征在于：所述的夾具體采用非鐵磁材料。