[發明專利]雙穩態旋轉隨機共振能量采集器及離心距離優化匹配方法

在審

• 申請號: 202111500744.6
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114221575A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 張云順;趙香帥;王萬樹
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02N2/04
• 分類號: H02N2/04;H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種雙穩態旋轉能量采集器，其特征在于，包含框架(2)和懸臂梁(4)，懸臂梁(4)的一端為固定端且固定連接在框架(2)一側豎直內壁上，懸臂梁(4)的另一端為自由端且自由端連接自由端磁鐵(5)；懸臂梁(4)固定端側外貼有壓電片(3)，在框架(2)的另一側豎直內壁上固定安裝固定端磁鐵(6)，固定端磁鐵(6)與懸臂梁(4)的固定端位于同一水平線上；

將懸臂梁(4)固定端側的框架(2)固定在輪胎輪輞位置，故框架(2)及故框架(2)內部的壓電片(3)、懸臂梁(4)、自由端磁鐵(5)和固定端磁鐵(6)均能與車輪同步旋轉。

2.根據權利要求1所述的一種雙穩態旋轉能量采集器，其特征在于，所述自由端磁鐵(5)與固定端磁鐵(6)同極相對。

3.根據權利要求2所述的一種雙穩態旋轉能量采集器，其特征在于，利用膠水將壓電片(3)粘貼懸臂梁(4)上。

4.根據權利要求2所述的一種雙穩態旋轉能量采集器，其特征在于，利用膠水將自由端磁鐵(5)粘貼在懸臂梁(4)上。

5.根據權利要求2所述的一種雙穩態旋轉能量采集器，其特征在于，利用膠水將固定端磁鐵(6)粘貼在框架(2)內側壁面上。

6.一種雙穩態旋轉隨機共振能量采集器的離心距離優化匹配方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：建立雙穩態系統的動力學模型，如下：

其中，m′為振子質量，x為振子位移，分別是x的一階導數和二階導數，a′、b′和c′分別是線性項系數、非線性項系數和阻尼；s(t)為周期信號，N(t)為噪聲信號；

步驟2：根據隨機共振的發生條件得出隨機共振頻率，表示為：

其中，D為噪聲強度；

步驟3：對雙穩態旋轉能量采集器進行受力分析，懸臂梁4在振動過程中，F_M為磁鐵間磁力，F_H為磁力切向分量；

步驟4：基于步驟3得到的F_H，獲得雙穩態旋轉能量采集器在旋轉環境下的動力學方程為：

其中：m為懸臂梁末端磁鐵質量；c為阻尼系數；k為懸臂梁剛度；L為懸臂梁長度；r為懸臂梁根部距旋轉中心的距離；H＝L+r為懸臂梁末端磁鐵距旋轉中心的距離；x_T為末端磁鐵切向方向的位移；為末端磁鐵切向方向的速度；為末端磁鐵切向方向的加速度；為噪聲強度為D的噪聲信號，其中ξ(t)是均值為0，方差為1的高斯白噪聲；G為末端磁鐵的等效重力；ω為旋轉角速度；t為時間；η₀為初始相位角；a為磁鐵力的線性項系數；b為磁鐵力的非線性系數。

步驟5：基于步驟4中動力學方程的第三項系數第四項系數b，得到的隨機共振頻率方程，表示為：

其中，a-k用a₀表示，即a₀＝a-k；

步驟6：當γ曲線與激勵頻率ω相等且相切時的離心距離H的求解，有條件式γ＝ω，γ′＝1，即：

其中，γ′為隨機共振頻率對激勵頻率的一階導數；

步驟7：在求解離心距離H時的條件式中，令λ＝ω²H，且λ僅取正值，得到：

求解得：

其中，

i表示虛數；

步驟8：基于求出的進一步求解出最優離心距離：

7.根據權利要求6所述的一種雙穩態旋轉隨機共振能量采集器的離心距離優化匹配方法，其特征在于，隨機共振的發生條件為：當振子阱間躍遷的平均等待時間T_w與周期激勵周期T_s的一半相等時，振子躍遷與勢阱傾斜發生同步。