[发明专利]一种磁耦合的压电振动能量俘获装置

说明书

技术领域

本发明属于压电振动能量发电技术领域，具体涉及一种磁耦合的压电振动能量俘获装置。

背景技术

近年来，随着电子技术、微机电技术、材料科学与技术和传感器技术等的飞速发展，大量无线传感器被应用到需要进行监测的结构、设备和环境中，这类传感器能够实时获取被监测对象的状态信息，可十分有效地提高应对紧急事件的速度、减少灾难性事件的发生、避免损失等；同时，由于没有线缆连接，稳定性好并且容易集成，具有非常好的应用前景。但是，目前大部分便携式电子设备和无线传感器均采用传统的不可充电的电池供电，这类电池不仅能量和寿命有限，而且使用完也存在污染、回收困难等问题，特别是嵌入到建筑物、桥梁的状态监测传感器和地点不确定的目标追踪传感器等特殊用途的传感器，更换电池的代价都很高甚至是不可能完成的工作。如果能获取周围环境中的能量，就可以用来替代电池或者对电池进行充电。通常我们把利用一种系统将周围环境中能量获取并转化为可利用能量的过程叫做能量回收，能量回收技术具有巨大的应用前景。因此，能量回收技术受到了国内外的高度关注和深入研究。

振动能量无处不在，日常生活中的桥梁、车辆、转子设备、路面、人体的运动和器官的活动等都存在大量的振动能量，这些振动能量相对稳定且广泛存在。回收振动能量的方法有电磁、静电和压电三种：电磁装置产生的电压很低，幅值一般小于0.1V，并且很难与电子设备集成；静电回收方法需要一个独立的电压源，结构复杂；压电振动能量回收电压幅值高、结构简单并且无须外接电源，同时具有比电磁和静电两种方法更高的能量密度和回收效率，因此是振动能量回收中最为有效方法，非常适合为无线传感器供电等。

在压电振动能量回收领域，悬臂梁式压电能量回收系统具有能量密度高、装置简单、易于实现等优点，被广泛研究和使用。然而，传统的线性压电悬臂梁共振频带过窄，与周围环境振动频率匹配较差，回收的能量严重受限于周围环境，俘获能量的效率比较低，得到的可利用的电能却十分有限，在很多情况下都很难充分满足实际需求，这也成为了压电能量回收在应用中的瓶颈。如何改变系统的动力学特性、有效拓宽其谐振频带一直是研究的热点和难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，有效地提高了压电系统的谐振频宽和能量回收效率，压电悬臂梁与外加磁铁之间在空间x、y、z三个方向的相对位置可以方便地调整、外加磁铁2-5可以沿着y轴方向旋转任意角度，可全方位研究磁场位置及强度对系统发电性能和动力学特性的影响。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种磁耦合的压电振动能量俘获装置，包括主横梁1，主横梁1上串联了1个以上的独立悬臂梁系统，每个悬臂梁系统包括竖梁2-1、上梁2-2、悬臂梁2-3、下梁2-4和外加磁铁2-5，主横梁1与竖梁2-1连接，在主横梁1上面二者的连接处开有第一长槽2-7，竖梁2-1在未完全锁紧前能够沿着第一长槽2-7进行滑动，即y方向自由移动；

竖梁2-1与悬臂梁系统的上梁2-2连接，在竖梁2-1中间开有第二长槽2-8，上梁2-2在未完全锁紧前能够沿着第二长槽2-8进行滑动，即x方向自由移动；

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4连接，在下梁2-4中间开有第三长槽2-9，外加磁铁2-5在未完全锁紧前能够沿着第三长槽2-9进行滑动，即z方向自由移动；

外加磁铁2-5与悬臂梁系统的下梁2-4之间为活动连接，外加磁铁2-5能够沿着y轴旋转任意角度，并且外加磁铁2-5能够从装置中卸载下来；

上梁2-2与悬臂梁2-3连接。

压电片2-10通过导电胶粘贴于悬臂梁2-3根部，两块端部磁铁质量块2-6以不同极性相对，依靠引力作用互相吸引于悬臂梁2-3的端部。

本发明的优点为：

将传统的质量块更换为2块磁铁，由于自身具备一定的质量和较强的磁性既可以发挥质量块的功能，又可以增强悬臂梁的磁性，从而与外部磁铁之间产生更大的磁力。利用2块磁铁的不同极性相互吸引的作用吸附在悬臂梁端部的两侧。

本装置串联了1个以上的独立悬臂梁系统，可在同一时间内分别完成1种以上不同条件的实验，极大地节省了工作时间，提高了工作效率。