[發(fā)明專利]一種陣列式多穩(wěn)態(tài)流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)

在審

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• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN112994522A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周生喜;馬小青;張航;黃冬梅
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 苑朝陽

本發(fā)明公開了一種陣列式多穩(wěn)態(tài)流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)，包括底座、子結(jié)構(gòu)和彈簧。其中，子結(jié)構(gòu)為多個(gè)，子結(jié)構(gòu)包括支架、懸臂梁、鈍體、壓電片、振動(dòng)磁鐵和固定磁鐵，支架和固定磁鐵安裝于底座上，鈍體的上端安裝于懸臂梁上，懸臂梁安裝于支架上，壓電片安裝于懸臂梁上，振動(dòng)磁鐵安裝于鈍體的下端，振動(dòng)磁鐵在水平方向上位于至少兩個(gè)固定磁鐵之間，相鄰的振動(dòng)磁鐵與固定磁鐵在水平方向上磁性相吸；彈簧的兩端分別與相鄰的兩個(gè)子結(jié)構(gòu)中的懸臂梁固定相連。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過引入非線性磁力和彈簧的多穩(wěn)態(tài)特性，使得流固耦合和以及各個(gè)子結(jié)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)耦合相互結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大了流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)工作風(fēng)速區(qū)間和能量輸出的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量俘獲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種陣列式多穩(wěn)態(tài)流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著微機(jī)電系統(tǒng)和無線電通訊技術(shù)的快速發(fā)展，各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其嵌入式系統(tǒng)不斷趨于微型化，維系整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能量消耗也在不斷降低。從涉及人類健康問題的心臟起搏器到對珍稀動(dòng)物的跟蹤保護(hù)，以及國防問題中的軍事安全系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其嵌入系統(tǒng)已經(jīng)滲入到了人們生活中的方方面面。這些產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展過程中，一直受制于供電問題。

傳統(tǒng)的化學(xué)電池壽命有限，需要不定時(shí)的更換，在一些惡劣(危險(xiǎn)區(qū)域等)和特殊環(huán)境(人體等生物體)中很難進(jìn)行這些更換工作。在微能源技術(shù)的研究和發(fā)展過程中，壓電振動(dòng)能量俘獲技術(shù)已經(jīng)取得了穩(wěn)定成熟的研究成果。由于其結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高，在為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及各種微小型電子設(shè)備的供電設(shè)計(jì)上具有很大的利用價(jià)值。

微型傳感器需要在各種自然環(huán)境中進(jìn)行工作(例如沙漠，河流，高山，海洋等)，在這些自然環(huán)境中想要持續(xù)高效的對這些微型傳感器進(jìn)行供能，流體能量俘獲是其研究的重要環(huán)節(jié)。流體在流經(jīng)結(jié)構(gòu)時(shí)引發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)即為流致振動(dòng)，這種現(xiàn)象在自然環(huán)境和日常生活中隨處可見。因此，小到風(fēng)吹動(dòng)的電線大到航天飛機(jī)等各式各樣結(jié)構(gòu)所造成的流致振動(dòng)，既能為人類帶來好處，也可能在工程應(yīng)用中造成各種破壞性事故。

渦激振動(dòng)是流致振動(dòng)中的一種形式，具有持續(xù)性，易于激發(fā)的特點(diǎn)，在渦激振動(dòng)中結(jié)構(gòu)受到與來流方向垂直的周期性力，從而帶動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向振動(dòng)。渦激振動(dòng)中存在“鎖定”現(xiàn)象，當(dāng)流體的漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，產(chǎn)生鎖頻現(xiàn)象，當(dāng)繼續(xù)提高風(fēng)速時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率不變。由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值不會無限增大，從而可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)結(jié)構(gòu)的功能。因此，將流致振動(dòng)與壓電能量俘獲技術(shù)結(jié)合在一起可以有效的解決微機(jī)電系統(tǒng)等設(shè)備的供電問題。

因此，如何提供一種陣列式多穩(wěn)態(tài)壓電流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)，用于解決傳統(tǒng)渦激振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)中“鎖定”有效風(fēng)速范圍窄能量輸出低的問題，推動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)和可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種陣列式多穩(wěn)態(tài)流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)，用于改變渦激振動(dòng)的輸出性能，有效的提高結(jié)構(gòu)的能量輸出。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明公開了一種陣列式多穩(wěn)態(tài)流致振動(dòng)能量俘獲結(jié)構(gòu)，包括：

底座；

子結(jié)構(gòu)，所述子結(jié)構(gòu)為多個(gè)，所述子結(jié)構(gòu)包括支架、懸臂梁、鈍體、壓電片、振動(dòng)磁鐵和固定磁鐵，所述支架和所述固定磁鐵安裝于所述底座上，所述鈍體的上端安裝于所述懸臂梁上，所述懸臂梁安裝于所述支架上，所述壓電片安裝于所述懸臂梁上，所述振動(dòng)磁鐵安裝于所述鈍體的下端，所述振動(dòng)磁鐵在水平方向上位于至少兩個(gè)所述固定磁鐵之間；

彈簧，所述彈簧的兩端分別與相鄰的兩個(gè)所述子結(jié)構(gòu)中的所述懸臂梁固定相連。

優(yōu)選地，所述固定磁鐵通過磁鐵托架和磁鐵托桿安裝于所述底座上，所述磁鐵托桿上設(shè)有用于安裝所述固定磁鐵的凹槽，所述磁鐵托桿安裝于所述磁鐵托架上，所述磁鐵托架可拆卸式安裝于所述底座上，所述底座上設(shè)有多個(gè)所述磁鐵托架的安裝位，不同的安裝位與所述振動(dòng)磁鐵的水平距離不同。