[发明专利]一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置

说明书

本发明公开了一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置,该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，底座由沿着空间直角坐标系X、Y轴方向分布的4根水平梁和沿Z轴方向的1根竖直梁组成；所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片、自由端都固定有永磁铁，并按照固有频率的高低依次排列，分别安装在4根水平梁的上表面和竖直梁的四个侧面，固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相邻面上都固定有另一对同名磁极面两两正对的永磁铁。本发明可以高效率的收集空间任意方向的、宽频带范围的振动能量，空间利用率高，实用性强。

技术领域

本发明涉及振动能量收集领域，主要涉及一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置。

技术背景

在日常生活中，有很多系统或装置都会产生不同频率的振动，这些振动本身是带有能量的，并且这种振动能量具有较高的能量密度，具有一定的利用价值。然而，这些振动能量往往会被忽视和遗忘。为了能实现对周围环境中振动能量的收集，于是人们提出了各种压电式振动能量收集技术。

压电式振动能量收集技术利用了压电材料的正压电效应，即当对压电材料施以物理压力使其发生一定程度的形变时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷。为更好地在振动环境中应用这一效应，人们将压电材料与悬臂梁式结构结合，将压电材料粘贴在悬臂梁结构的夹持端根部附近，通过周围的振动环境引起悬臂梁产生共振效应，从而使夹持端根部附近的压电材料发生形变而产生电能，此时悬臂梁结构的夹持端根部应力最大，因此该位置的正压电效应最佳。

在此基础上，研究者设计了很多不同形式的压电悬臂梁振动能量收集装置。但是，目前的压电式悬臂梁振动能量收集装置大多只能收集单一方向上的振动能量，且能量收集效率有限。除此此外，大部分的压电悬臂梁振动能量收集装置的通频带较窄，只能收集小范围频域的振动能量。例如中国专利（公开号CN 110282593）公开了一种双向振动的压电能量收集装置，该装置在基体的水平方向和竖直方向上分布有压电材料，依靠基体水平方向上受力变形使压电材料变形产生电能，因此该装置只能收集单一方向上的振动能量，并且只有在外部激励的振动频率接近或等于该梁的固有频率时，才会引起该悬臂梁因共振发电；如中国专利（公开号CN 107317511 A）公开了一种易越过势垒的双稳态压电能量收集装置，该装置的悬臂梁一端固定在第一固定杆上且在自由端设有一块永磁铁，另一块永磁铁固定在第二固定杆上且两磁铁相互排斥，因此该装置只对沿竖直方向上的振动敏感，因此只能收集此方向上的振动能量，并且收集频域范围较窄，收集效率不高。

因此，设计一种高效率的压电式多方向、宽频带振动能量收集装置具有较大的研究及应用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，能够实现多方向、宽频域的振动能量的高效率收集。

为实现上述目的，本发明的通过以下技术方案来实现：

一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，沿X、Y方向分布的四根水平梁的上表面垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁（即固有频率不同的悬臂梁），沿Z方向的竖直梁的四个侧面均垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁，并与其他四根水平梁上的悬臂梁相对应，且每组悬臂梁按固有频率的高低从里向外依次排列。所有的悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁。固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与竖直梁上的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，该对磁铁的作用是实现水平梁与竖直梁的联动，安装在水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相对的面上相同高度位置处都固定有另一对永磁铁。这一对永磁铁的同名磁极面也是两两正对，其作用是实现水平梁间的相互联动。