低频双稳态压电-电磁混合俘能器

1.本发明属于能量俘获技术领域，涉及一种低频双稳态压电-电磁混合俘能器。


背景技术：

2.近年来，能量俘获成为了学术界和工业界共同关注的前言热点技术之一。其中振动能量俘获是目前研究广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术，它为未来无线传感器网络技术和物联网技术持久可靠供电难题提供了解决方案。传统的传感系统的电池寿命有限、更换困难、成本较高，而且被使用过的电池也存在环境污染等问题。
3.振动能量俘获的基本原理就是收集利用物体因外部运动产生的位移或变形所蕴含的能量，将其转化为电能。根据俘获机理主要分为三类：压电式、静电式和电磁感应式。压电式能量俘获是利用压电材料的正压电效应，将压电材料的变形能转化为电能；静电式振动能量俘获的基本原理是通过环境振动引起电容改变来产生电能；电磁式振动能量俘获的基本原理是利用法拉第电磁感应定理，即磁通量变化时产生电场。
4.为了提高振动能量俘获的效率，研究员进行了广泛的创新和实验。传统的线性振动能量俘获只能在共振峰区域进行俘能，频带窄。大部分自然环境的振动都是随机的，如何能在更宽的工作频带进行能量俘获成为研究热点之一。通过引入非线性结构能拓宽频带，实现更宽的工作频带。多稳态的结构的引入，采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,也可以达到提高能量采集器输出性能的目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供低频双稳态压电-电磁混合俘能器，解决了现有技术中存在的无法在更宽的工作频带进行能量俘获的问题。
6.本发明所采用的技术方案是低频双稳态压电-电磁混合俘能器，包括底座，底座上活动连接有压电梁，压电梁处于竖直方向且能够在水平方向移动；压电梁上固定有压电陶瓷，压电梁远离底座的一端铰接有刚性连接杆，刚性连接杆铰接质量块，质量块的底部固接有连杆；
7.底座上还固定有处于竖直方向的套筒，套筒的两端封闭，套筒内部两端分别设置有环形磁铁；连杆通过套筒上端垂直进入套筒内部，连杆的顶部固接有电磁铁；套筒的外壁缠绕有线圈。
8.本发明的特点还在于：
9.底座上开设有穿孔滑槽，压电梁上通过双头螺钉固定有滑块，滑块套嵌于穿孔滑槽内。
10.底座呈凸状，凸起的中间开设有凹槽，凹槽内固定有套筒底部支座，套筒底部支座上固定有套筒。
11.压电陶瓷设置于压电梁底端。
12.压电梁远离底座的一端固定有转动副，压电梁通过转动副与刚性连接杆铰接。
13.套筒上开设有若干气孔。
14.套筒上端通过套筒顶部支座封闭，套筒顶部的环形磁铁通过胶水粘结固定于套筒顶部支座；套筒下端通过套筒底部支座封闭，底座相对于凹槽的下方设置有固定法兰，固定法兰螺纹连接有螺栓杆，螺栓杆的顶端胶水粘结套筒底部的环形磁铁。
15.套筒顶部支座上固定有直线轴承，连杆通过直线轴承与质量块胶水粘结。
16.套筒上端和套筒下端均开设有定位孔，套筒顶部支座和套筒底部支座通过定位孔进行定位。
17.本发明通过压电梁与质量块通过连接杆铰链形成双稳态结构，通过两端压电梁弯曲实现正压电效应，压电片储存的变形能转化为电能；通过质量块的垂直振动带动电磁铁振动，线圈磁通量变化，机械能转化成电能，实现电磁式发电。通过磁悬浮组件和压电俘能组件的非线性力,从而实现在更宽的工作频带进行能量的俘获，并且形成准零刚度，在低频产生共振，从而达到减振的效果。
附图说明
18.图1是本发明低频双稳态压电-电磁混合俘能器的结构示意图；
19.图2是本发明低频双稳态压电-电磁混合俘能器的正视示意图；
20.图3是本发明低频双稳态压电-电磁混合俘能器的套筒设置示意图；
21.图4是本发明低频双稳态压电-电磁混合俘能器的套筒设置剖视图。
22.图中，1.底座，2.压电梁，3.压电陶瓷，4.刚性连接杆，5.质量块，6.连杆，7.套筒，8.环形磁铁，9.电磁铁，10.线圈，11.穿孔滑槽，12.滑块，13.套筒底部支座，14.转动副，15.气孔，16.套筒顶部支座，17.固定法兰，18.螺栓杆，19.直线轴承，20.定位孔。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.本发明的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，如图1和图2所示，包括底座1，底座1呈现凸状，凸起的中间有凹槽，与套筒底部支座13固定，左右两边有穿孔滑槽11，穿孔滑槽11与滑块12通过双头螺钉固定；压电梁2附着压电陶瓷3，与滑块12的延长孔连接；压电梁2通过螺钉与转动副14铰接固定，转动副14通过刚性连接杆4与质量块5连接；底座1，压电陶瓷3和压电梁2共同组成本发明的压电俘能组件。
25.如图3和图4所示，底座1上固定有处于竖直方向的套筒7，套筒7的两端封闭，套筒7内部两端分别设置有环形磁铁8；连杆6通过套筒7上端垂直进入套筒7内部，连杆6的顶部固接有电磁铁9；套筒7的外壁缠绕有线圈10。套筒7上端通过套筒顶部支座16封闭，套筒7顶部的环形磁铁8通过胶水粘结固定于套筒顶部支座16；套筒7下端通过套筒底部支座13封闭，底座1相对于凹槽的下方设置有固定法兰17，固定法兰17螺纹连接有螺栓杆18，螺栓杆18的顶端胶水粘结套筒7底部的环形磁铁8。套筒顶部支座16上固定有直线轴承19，连杆6通过直线轴承19与质量块5胶水粘结。套筒7上端和套筒7下端均开设有定位孔20，套筒顶部支座16和套筒底部支座13通过定位孔20进行定位。电磁铁9、环形磁铁8和线圈10共同组成本发明的磁悬浮组件。
26.工作时，将底座1安装在建筑结构或机械结构等振动源上，底座1在外界振动源的
激励下带动电磁铁9振动，电磁铁9通过连杆6传递振动给质量块5；质量块5通过刚性连接杆4带动压电梁2发生屈曲振动。
27.如图2所示，当压电梁2发生屈曲振动时，附着在压电梁2的压电陶瓷3产生正压电效应，将振动能量转化成电能。
28.如图3所示，电磁铁9发生振动，通过与套筒7两端的环形磁铁8的相互作用，导致线圈10的磁通量发生改变，将振动的机械能转化成电能。其中气孔15的存在使得套筒7内外压强相等，避免电磁铁9振动时产生大气斥力。
29.本发明提出的一种低频双稳态压电-电磁混合俘能器，通过压电俘能组件和磁悬浮组件的共同作用完成能量俘获。中间的电磁铁9和套筒7两端的环形磁铁8之间的磁力耦合作用引入非线性力，从而增加装置的工作带宽。通过控制中间的电磁铁9和套筒7两端的环形磁铁8的距离，可以调节非线性力的大小，从而使系统跨过势垒达到双稳态，拓宽带宽。通过非线性力可以形成双稳态结构，其能量俘获效率高，工作频带宽，有一定隔振效果，可以代替传统化学电池对低功耗的微电子设备供电。


技术特征：
1.低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)上活动连接有压电梁(2)，所述压电梁(2)处于竖直方向且能够在水平方向移动；所述压电梁(2)上固定有压电陶瓷(3)，所述压电梁(2)远离底座(1)的一端铰接有刚性连接杆(4)，所述刚性连接杆(4)铰接质量块(5)，所述质量块(5)的底部固接有连杆(6)；所述底座(1)上还固定有处于竖直方向的套筒(7)，所述套筒(7)的两端封闭，所述套筒(7)内部两端分别设置有环形磁铁(8)；所述连杆(6)通过套筒(7)上端垂直进入套筒(7)的内部，所述连杆(6)的顶部固接有电磁铁(9)；所述套筒(7)的外壁缠绕有线圈(10)。2.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述底座(1)上开设有穿孔滑槽(11)，所述压电梁上通过双头螺钉固定有滑块(12)，所述滑块(12)套嵌于穿孔滑槽(11)内。3.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述底座(1)呈凸状，所述凸起的中间开设有凹槽，所述凹槽内固定有套筒底部支座(13)，所述套筒底部支座(13)上固定套筒(7)。4.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述压电陶瓷(3)设置于压电梁(2)底端。5.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述压电梁(2)远离底座(1)的一端固定有转动副(14)，所述压电梁(2)通过转动副(14)与刚性连接杆(4)铰接。6.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述套筒(7)上开设有若干气孔(15)。7.根据权利要求1的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述套筒(7)上端通过套筒顶部支座(16)封闭，所述套筒(7)顶部的环形磁铁(8)通过胶水粘结固定于套筒顶部支座(16)；所述套筒(7)下端通过套筒底部支座(13)封闭，所述底座(1)相对于凹槽的下方设置有固定法兰(17)，所述固定法兰(17)螺纹连接有螺栓杆(18)，所述螺栓杆(18)的顶端胶水粘结套筒(7)底部的环形磁铁(8)。8.根据权利要求7的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述套筒顶部支座(16)上固定有直线轴承(19)，所述连杆(6)通过直线轴承(19)与质量块(5)胶水粘结。9.根据权利要求7的所述的低频双稳态压电-电磁混合俘能器，其特征在于，所述套筒(7)的上端和套筒(7)的下端均开设有定位孔(20)，所述套筒顶部支座(16)和套筒底部支座(13)通过定位孔(20)进行定位。

技术总结
本发明公开了低频双稳态压电-电磁混合俘能器，包括底座，底座上活动连接有压电梁，压电梁处于竖直方向且能够在水平方向移动；压电梁上固定有压电陶瓷，压电梁远离底座的一端铰接有刚性连接杆，刚性连接杆铰接质量块，质量块的底部固接有连杆；底座上还固定有处于竖直方向的套筒，套筒的两端封闭，套筒内部两端分别设置有环形磁铁；连杆通过套筒上端垂直进入套筒内部，连杆的顶部固接有电磁铁；套筒的外壁缠绕有线圈。通过压电梁与质量块通过连接杆铰链形成双稳态结构，通过两端压电梁弯曲实现正压电效应，压电片储存的变形能转化为电能；通过质量块的垂直振动带动电磁铁振动，线圈磁通量变化，机械能转化成电能，实现电磁式发电。实现电磁式发电。实现电磁式发电。


技术研发人员：张咏琪 周生喜 杨涛
受保护的技术使用者：西北工业大学深圳研究院
技术研发日：2022.01.20
技术公布日：2022/5/17