[发明专利]一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构

说明书

本发明公开了一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，包括底座、子结构和弹簧。其中，子结构为多个，子结构包括支架、悬臂梁、钝体、压电片、振动磁铁和固定磁铁，支架和固定磁铁安装于底座上，钝体的上端安装于悬臂梁上，悬臂梁安装于支架上，压电片安装于悬臂梁上，振动磁铁安装于钝体的下端，振动磁铁在水平方向上位于至少两个固定磁铁之间，相邻的振动磁铁与固定磁铁在水平方向上磁性相吸；弹簧的两端分别与相邻的两个子结构中的悬臂梁固定相连。相比于现有技术，本发明通过引入非线性磁力和弹簧的多稳态特性，使得流固耦合和以及各个子结构之间结构耦合相互结合，从而实现扩大了流致振动结构工作风速区间和能量输出的目的。

技术领域

本发明涉及能量俘获技术领域，特别是涉及一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构。

背景技术

随着微机电系统和无线电通讯技术的快速发展，各种无线传感器网络及其嵌入式系统不断趋于微型化，维系整个系统运行的能量消耗也在不断降低。从涉及人类健康问题的心脏起搏器到对珍稀动物的跟踪保护，以及国防问题中的军事安全系统，无线传感网络及其嵌入系统已经渗入到了人们生活中的方方面面。这些产品的应用和发展过程中，一直受制于供电问题。

传统的化学电池寿命有限，需要不定时的更换，在一些恶劣(危险区域等)和特殊环境(人体等生物体)中很难进行这些更换工作。在微能源技术的研究和发展过程中，压电振动能量俘获技术已经取得了稳定成熟的研究成果。由于其结构简单、能量密度高，在为无线传感器网络以及各种微小型电子设备的供电设计上具有很大的利用价值。

微型传感器需要在各种自然环境中进行工作(例如沙漠，河流，高山，海洋等)，在这些自然环境中想要持续高效的对这些微型传感器进行供能，流体能量俘获是其研究的重要环节。流体在流经结构时引发结构产生的振动即为流致振动，这种现象在自然环境和日常生活中随处可见。因此，小到风吹动的电线大到航天飞机等各式各样结构所造成的流致振动，既能为人类带来好处，也可能在工程应用中造成各种破坏性事故。

涡激振动是流致振动中的一种形式，具有持续性，易于激发的特点，在涡激振动中结构受到与来流方向垂直的周期性力，从而带动结构进行横向振动。涡激振动中存在“锁定”现象，当流体的漩涡脱落频率与结构的固有频率接近时，结构会产生较大幅度的振动，产生锁频现象，当继续提高风速时，结构的振动频率不变。由于结构阻尼的存在，结构的振动幅值不会无限增大，从而可以实现保护结构的功能。因此，将流致振动与压电能量俘获技术结合在一起可以有效的解决微机电系统等设备的供电问题。

因此，如何提供一种阵列式多稳态压电流致振动能量俘获结构，用于解决传统涡激振动能量俘获结构中“锁定”有效风速范围窄能量输出低的问题，推动微机电系统和可再生能源技术的快速发展，是本领域技术人员亟待解决的。

发明内容

本发明的目的是提供一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，用于改变涡激振动的输出性能，有效的提高结构的能量输出。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，包括：

底座；

子结构，所述子结构为多个，所述子结构包括支架、悬臂梁、钝体、压电片、振动磁铁和固定磁铁，所述支架和所述固定磁铁安装于所述底座上，所述钝体的上端安装于所述悬臂梁上，所述悬臂梁安装于所述支架上，所述压电片安装于所述悬臂梁上，所述振动磁铁安装于所述钝体的下端，所述振动磁铁在水平方向上位于至少两个所述固定磁铁之间；

弹簧，所述弹簧的两端分别与相邻的两个所述子结构中的所述悬臂梁固定相连。

优选地，所述固定磁铁通过磁铁托架和磁铁托杆安装于所述底座上，所述磁铁托杆上设有用于安装所述固定磁铁的凹槽，所述磁铁托杆安装于所述磁铁托架上，所述磁铁托架可拆卸式安装于所述底座上，所述底座上设有多个所述磁铁托架的安装位，不同的安装位与所述振动磁铁的水平距离不同。