[发明专利]一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获装置

说明书

本发明一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获装置，属于压电集能领域；包括夹持基础、压电片和悬臂主板；所述悬臂主板的一端固定于夹持基础的侧壁构成悬臂架构，并在其根部的上下表面均设置有压电片；悬臂主板的另一端为多级分叉结构，即以悬臂主板另一端端头作为中心向外延伸成蛛网式分布的多级分叉板，每级包括两个或两个以上分叉板分板，且每级分叉板分板的自由端作为下一级分叉板分板的固定端。本发明利用板结构弯曲与扭转模态的耦合作用，通过载同一平面内增加密频压电板结构分叉板的级数，来增加结构的模态频率的数量。

技术领域

本发明属于压电集能领域，具体涉及一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获装置。

背景技术

现阶段压电能量俘获结构是通过压电片在结构模态频率处的共振特性将结构的机械能转化为电能，实现振动能量俘获。常规的悬臂式压电能量俘获结构的工作频带较窄。选择在悬臂式压电能量俘获结构自由端添加质量块实现响应频率降频、利用非线性方法来拓宽能量俘获频带的效果，但其效果并不能满足未来实际工程应用中的更高要求。因此，如何从结构设计的角度来实现宿主结构在某一频带内具有多个模态频率，使压电片可以在较宽的频带内进行能量俘获，是未来压电能量俘获领域内需要研究的方向。现有如利用末端分叉得方式来进行拓宽响应频带得方法，但是，仅仅一级分叉仍然具有改进得空间，如增加分叉的级数。

南京航空航天大学的侯志伟在题目为“蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究”(论文编号：102870113-B063)的博士论文中第18页提出的能量俘获结构具有多方向能量俘获的效果(如图a所示)，可实现整体结构在能量俘获中的频带拓宽。其中，每个小悬臂梁上都贴有压电材料并安装在基座上。但该装置在单一方向上只是常规的悬臂梁式能量俘获结构，因此在单方向上的能量俘获效率不高。另外，同样是南京航空航天大学的GUANGCHENG ZHANG和JUNHUI HU在题目为“A Branched Beam-Based Vibration EnergyHarvester”(DOI：10.1007/s11664-014-3398-5)的文章中提出了一种分叉式压电能量俘获的多模态结构(如图b所示)。该结构采用增加了阵列式的分叉梁的方法，使得整体结构具有在单方向上提高能量俘获效率的作用。但是由于该分叉梁采用阵列式分布，使得分叉梁在振动时无法将振动机械能最大效率得传递到压电材料部位(悬臂梁根部应变能最大)。因此，如何在单方向上实现能量转化效率最大是一个值得研究得方向。基于以上的想法，本发明提出了一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获方法。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获装置，由悬臂主板和多级(二级、三级......)分叉板构成，能够从结构的模态角度拓宽能量俘获的响应频带，解决压电响应频带窄，能量俘获装置适应性弱的问题。

本发明的技术方案是：一种基于弯扭振动的多级分叉的密频压电板能量俘获装置，其特征在于：包括夹持基础、压电片和悬臂主板；所述悬臂主板的一端固定于夹持基础的侧壁构成悬臂架构，并在其根部的上下表面均设置有压电片；悬臂主板的另一端为多级分叉结构，即以悬臂主板另一端端头作为中心向外延伸成蛛网式分布的多级分叉板，每级包括两个或两个以上分叉板分板，且每级分叉板分板的自由端作为下一级分叉板分板的固定端。

本发明的进一步技术方案是：所述每级分叉板的形状为Y形，包含的两个分叉板分板为对称结构或非对称结构，分叉板分板以大于等于2ⁿ的数量逐级递增。

本发明的进一步技术方案是：所述分叉板分板与悬臂主板均位于同一平面内，下一级的分叉板分板与上一级分叉板分板之间夹角θ的范围是：0°θ180°。

本发明的进一步技术方案是：所述夹持基础为块状结构。

有益效果