一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置的製作方法

2023-05-12 13:46:06 1

專利名稱：一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置的製作方法
一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置技術領域
本發明屬於壓電振動能量發電技術領域，具體涉及一種磁耦合的壓電振動能量俘ο背景技術
近年來，隨著電子技術、微機電技術、材料科學與技術和傳感器技術等的飛速發展，大量無線傳感器被應用到需要進行監測的結構、設備和環境中，這類傳感器能夠實時獲取被監測對象的狀態信息，可十分有效地提高應對緊急事件的速度、減少災難性事件的發生、避免損失等；同時，由於沒有線纜連接，穩定性好並且容易集成，具有非常好的應用前景。但是，目前大部分可攜式電子設備和無線傳感器均採用傳統的不可充電的電池供電，這類電池不僅能量和壽命有限，而且使用完也存在汙染、回收困難等問題，特別是嵌入到建築物、橋梁的狀態監測傳感器和地點不確定的目標追蹤傳感器等特殊用途的傳感器，更換電池的代價都很高甚至是不可能完成的工作。如果能獲取周圍環境中的能量，就可以用來替代電池或者對電池進行充電。通常我們把利用一種系統將周圍環境中能量獲取並轉化為可利用能量的過程叫做能量回收，能量回收技術具有巨大的應用前景。因此，能量回收技術受到了國內外的高度關注和深入研究。
振動能量無處不在，日常生活中的橋梁、車輛、轉子設備、路面、人體的運動和器官的活動等都存在大量的振動能量，這些振動能量相對穩定且廣泛存在。回收振動能量的方法有電磁、靜電和壓電三種電磁裝置產生的電壓很低，幅值一般小於O. IV,並且很難與電子設備集成；靜電回收方法需要一個獨立的電壓源，結構複雜；壓電振動能量回收電壓幅值高、結構簡單並且無須外接電源，同時具有比電磁和靜電兩種方法更高的能量密度和回收效率，因此是振動能量回收中最為有效方法，非常適合為無線傳感器供電等。
在壓電振動能量回收領域，懸臂梁式壓電能量回收系統具有能量密度高、裝置簡單、易於實現等優點，被廣泛研究和使用。然而，傳統的線性壓電懸臂梁共振頻帶過窄，與周圍環境振動頻率匹配較差，回收的能量嚴重受限於周圍環境，俘獲能量的效率比較低，得到的可利用的電能卻十分有限，在很多情況下都很難充分滿足實際需求，這也成為了壓電能量回收在應用中的瓶頸。如何改變系統的動力學特性、有效拓寬其諧振頻帶一直是研究的熱點和難點。發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，有效地提高了壓電系統的諧振頻寬和能量回收效率，壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間X、I、Z三個方向的相對位置可以方便地調整、外加磁鐵2-5可以沿著y軸方向旋轉任意角度，可全方位研究磁場位置及強度對系統發電性能和動力學特性的影響。
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為
—種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，包括主橫梁1，主橫梁I上串聯了 I個以上的獨立懸臂梁系統，每個懸臂梁系統包括豎梁2-1、上梁2-2、懸臂梁2-3、下梁2-4和外加磁鐵2-5，主橫梁I與豎梁2-1連接，在主橫梁I上面二者的連接處開有第一長槽2-7，豎梁 2-1在未完全鎖緊前能夠沿著第一長槽2-7進行滑動，即y方向自由移動；
豎梁2-1與懸臂梁系統的上梁2-2連接，在豎梁2-1中間開有第二長槽2_8，上梁 2-2在未完全鎖緊前能夠沿著第二長槽2-8進行滑動，即χ方向自由移動；
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統的下梁2-4連接，在下梁2-4中間開有第三長槽2_9， 外加磁鐵2-5在未完全鎖緊前能夠沿著第三長槽2-9進行滑動，即z方向自由移動；
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統的下梁2-4之間為活動連接，外加磁鐵2-5能夠沿著 y軸旋轉任意角度，並且外加磁鐵2-5能夠從裝置中卸載下來；
上梁2-2與懸臂梁2-3連接。
壓電片2-10通過導電膠粘貼於懸臂梁2-3根部，兩塊端部磁鐵質量塊2-6以不同極性相對，依靠引力作用互相吸引於懸臂梁2-3的端部。
本發明的優點為
將傳統的質量塊更換為2塊磁鐵，由於自身具備一定的質量和較強的磁性既可以發揮質量塊的功能，又可以增強懸臂梁的磁性，從而與外部磁鐵之間產生更大的磁力。利用 2塊磁鐵的不同極性相互吸引的作用吸附在懸臂梁端部的兩側。
本裝置串聯了 I個以上的獨立懸臂梁系統，可在同一時間內分別完成I種以上不同條件的實驗，極大地節省了工作時間，提高了工作效率。
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統的下梁2-4採用螺栓連接，外加磁鐵2-5可以沿著y 軸旋轉任意角度，可以研究外加磁鐵2-5處於不同角度時，裝置的動力學特性以及能量俘獲的能力；去掉外加磁鐵2-5後的能量俘獲裝置即變為傳統的壓電式能量俘獲裝置，添加外加磁鐵2-5後的能量俘獲裝置即為磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，本裝置既可以進行傳統的壓電能量俘獲實驗，也可以進行磁耦合的壓電振動能量俘獲實驗。
將磁場非線性因素引入到壓電振動能量俘獲系統中，使得裝置具備非線性動力學特性，有效克服了傳統的線性壓電懸臂梁諧振頻帶過窄的缺點。
設計的機械裝置，使得壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間x、y、z三個方向的相對位置可以方便地調整，外加磁鐵2-5可以沿著y軸方向旋轉任意角度，可研究磁場位置及強度，對系統發電性能和動力學特性的影響。
整個機械裝置的各部分結構均可拆卸，便於放置、局部修改、升級及更換。


圖1-1為本發明的結構示意圖。
圖1-2為主橫梁I的結構示意圖。
圖1-3為豎梁2-1的結構示意圖。
圖1-4為下梁2-4的結構示意圖。
圖1-5為壓電磁懸臂梁的工作原理示意圖。
圖2、3、4、5、6和圖7為基於相同的正弦波掃頻信號激勵,懸臂梁2_3與外加磁鐵 2-5處於一系列不同的相對位置時，壓電系統所產生的開路電壓。
圖8是將圖1-1中的外加磁鐵2-5去掉後，實驗裝置變成傳統的壓電式能量俘獲裝置，基於相同的正弦波掃頻信號激勵，壓電系統所產生的開路電壓。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做詳細描述。
參照圖1-1，一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，包括主橫梁1，主橫梁I上串聯了三個獨立的懸臂梁系統，可在同一時間內分別完成三種不同條件的實驗，大大節省了工作時間，提高了工作效率，每個懸臂梁系統包括豎梁2-1、上梁2-2、懸臂梁2-3、下梁2-4和外加磁鐵2-5，主橫梁I與豎梁2-1之間採用螺栓連接，參照圖1-2，在主橫梁I上面二者的連接處開有第一長槽2-7，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第一長槽2-7進行滑動，從而使豎梁2-1能夠沿著主橫梁I的長度方向，即y方向自由移動，這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5 之間在I方向的距離可以調整；
豎梁2-1與懸臂梁系統的上梁2-2之間採用螺栓連接，參照圖1-3，在豎梁2_1中間開有第二長槽2-8，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第二長槽2-8進行滑動，從而實現上梁 2-2能夠沿著豎梁2-1的長度方向，即χ方向自由移動。這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5 之間在χ方向的距離可以調整。
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統的下梁2-4之間採用螺栓連接，參照圖1-4，在下梁 2-4中間開有第三長槽2-9，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第三長槽2-9進行滑動，從而實現外加磁鐵2-5能夠沿著上梁2-4的長度方向，即z方向自由移動。這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5之間在z方向的距離可以調整。
上梁2-2與懸臂梁2-3之間採用螺栓連接。
壓電片2-10通過導電膠粘貼於懸臂梁2-3根部，兩塊端部磁鐵質量塊2_6以不同極性相對，依靠引力互相吸引於懸臂梁2-3的端部。
本發明的工作原理為
在進行振動實驗時，激振器將力傳遞給主橫梁1，然後由主橫梁I傳遞給其上的三個獨立的懸臂梁系統，當外部激勵頻率處於懸臂梁系統的諧振頻帶內時，懸臂梁2-3振動較為劇烈，此時帖子懸臂梁根部的壓電片所受的力也較大，由於壓電效應壓電片內部電荷開始極化，在兩端形成較多的極性相反大小相等的電荷，就是利用這些電荷進行振動發電， 從而實現對振動能量的俘獲。由於三個懸臂梁系統的工作原理完全一樣，只分析其中一個懸臂梁系統。
參照圖1-5，當裝置受到沿z方向的激勵時，懸臂梁2-3開始擺動，貼在懸臂梁根部的壓電片受到力的作用，由於壓電效應在壓電片兩端產生電荷，進而部件2-11兩端產生電動勢，部件2-11為單個電阻、負載電路或者儲能裝置。壓電片2-10通過導電膠粘貼於懸臂梁根部，與懸臂梁一起運動。本設計中，利用磁鐵之間極性相反互相吸引的原理，兩塊端部磁鐵質量塊2-6以不同極性相對，依靠引力互相吸引於懸臂梁的端部，端部磁鐵質量塊2-6 的作用有兩個，一是增加懸臂梁的磁性，使懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5之間的磁力在相同的距離時更大；二是由於端部磁鐵質量塊2-6本身具有質量，可以有效調節懸臂梁系統的共振頻率。
對比圖2、3、4、5、6、7與圖8中開路電壓，這些開路電壓是基於相同的外界激勵信號，由某公司型號為MS0X3052A的示波器採集。圖2、3、4、5、6和圖7為基於相同的正弦波5掃頻信號激勵，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5處於一系列不同的相對位置時，壓電系統所產生的開路電壓。實驗中，部件2-11為示波器的內阻。d和h是懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5沿 z方向和χ方向的相對距離，通過調整d和h，可使得懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5處於不同的相對位置。
圖8是將圖1-2中的外加磁鐵2-5去掉後，實驗裝置變成傳統的壓電式能量俘獲裝置，基於相同的正弦波掃頻信號激勵，壓電系統所產生的開路電壓。
不難發現，磁耦合下的壓電懸臂梁系統的發電能力明顯強於傳統的壓電懸臂梁系統，其諧振頻寬為後者的數倍。磁場的位置與強度對壓電系統的發電特性有顯著的作用，可以使用本發明研究非線性磁耦合壓電系統的動力學特性。
本發明中，壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間X、y、Z三個方向的相對位置可以方便地調整，外加磁鐵2-5可以 沿著y軸方向旋轉任意角度，可研究磁場位置及強度對系統發電性能和動力學特性的影響。整個機械裝置的各部分結構均可拆卸，便於放置、局部修改、 升級及更換。圖2中d = 37mm，h=7.5mm圖3中d ==42mm，h==7.5mm圖4中d ==45mm，h==7.5mm圖5中d ==50mm，h==7.5mm圖6中d = 59mm，h==7.5mm圖7中d = 67mm，h==7.5mm
權利要求
1.一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，包括主橫梁(1)，其特徵在於主橫梁(I)上串聯了 I個以上的獨立懸臂梁系統，每個懸臂梁系統包括豎梁(2-1)、上梁(2-2)、懸臂梁(2-3)、下梁(2-4)和外加磁鐵(2-5)，主橫梁(I)與豎梁(2-1)連接，在主橫梁(I)上面二者的連接處開有第一長槽(2-7 )，豎梁(2-1)在未完全鎖緊前能夠沿著第一長槽(2-7 )進行滑動，即y方向自由移動； 豎梁(2-1)與懸臂梁系統的上梁(2-2)連接，在豎梁(2-1)中間開有第二長槽(2-8)，上梁(2-2)在未完全鎖緊前能夠沿著第二長槽(2-8)進行滑動，即X方向自由移動； 外加磁鐵(2-5)與懸臂梁系統的下梁(2-4)連接，在下梁(2-4)中間開有第三長槽(2-9)，外加磁鐵(2-5)在未完全鎖緊前能夠沿著第三長槽(2-9)進行滑動，即z方向自由移動； 外加磁鐵(2-5)與懸臂梁系統的下梁(2-4)之間為活動連接，外加磁鐵(2-5)能夠沿著y軸旋轉任意角度，並且外加磁鐵(2-5)能夠從裝置中卸載下來； 上梁(2-2)與懸臂梁(2-3)連接。
2.根據權利要求I所述的一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，其特徵在於壓電片(2-10)通過導電膠粘貼於懸臂梁(2-3)根部，兩塊端部磁鐵質量塊(2-6)以不同極性相對，依靠引力作用互相吸引於懸臂梁(2-3)的端部。
全文摘要
一種磁耦合的壓電振動能量俘獲裝置，包括主橫梁，主橫梁上串聯了1個以上的獨立懸臂梁系統，每個懸臂梁系統包括豎梁等，在主橫梁上面開有第一長槽，豎梁在未完全鎖緊前能夠沿著第一長槽進行滑動，在豎梁中間開有第二長槽，上梁在未完全鎖緊前能夠沿著第二長槽進行滑動，在下梁中間開有第三長槽，外加磁鐵在未完全鎖緊前能夠沿著第三長槽進行滑動，外加磁鐵與懸臂梁系統的下梁之間為活動連接，壓電片粘貼於懸臂梁根部，兩塊端部磁鐵質量塊以不同極性相對，激振器將力通過主橫梁傳遞給懸臂梁系統，本發明提高了壓電系統的諧振頻寬和能量回收效率，可全方位研究磁場位置及強度對系統發電性能和動力學特性的影響。
文檔編號H02N2/18GK102983779SQ20121043103
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者曹軍義, 周生喜, 張洪寶, 曹秉剛 申請人:西安交通大學