CN102624281A - 一种非接触激励的多维振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触激励的多维振动能量采集器，属于新能源和发电技术领域。壳体上顶面及下底面分别设有用于固定压电振子的连接座，压电振子用螺钉固定在所述的连接座上；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，其端部安装有磁铁；壳体的上顶面安装有拉簧、下底面安装有压簧，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块链接，所述质量块的周围镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块上的磁铁的同性磁极相对安装。优点在于：可实现任意方向、低频及大振幅的振动能量采集。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及非接触激励的多维振动能量采集器，用于低频、大振幅、多方向的振动能量收集。
背景技术
为满足微功率电子产品及微小型远程传感及埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、静电、热电、电容、及压电等原理的微小型能量采集器的研究已经成为国内外的前沿热点。各类能量采集器都有其自身的优势和适用领域，压电式振动能量采集器的优势在于结构简单、易于制作和实现结构上的微小化与集成化等，故适用范围更广，现已逐步用于传感器、健康监测及无线发射系统等领域。
在利用压电材料回收振动能发电方面，国内外均有较多专利申请，早期的能量采集器结构多为单体的悬臂梁和圆形压电振子，目前也出现了由多个压电振子构成能量采集器，目的是增加压电能量采集器的有效频带宽度、或实现多个振动方向振动能量收集。如，中国发明专利201010601354.3 提出一种多个悬臂梁压电振子构成的蒲公英式能量采集器，可实现纵向振动和一个水平方向的振动能量回收；中国专利 200810106046.6提出一种不同长度悬臂梁压电振子构成的宽频带压电能量采集器，等等。众所周知，仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时压电能量采集器才有较大的发电能力和较高的能量效率。但因压电振子的谐振频率通常较高，达几百或几千赫兹，而环境振动频率通常仅为几十赫兹，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是在压电振子上安装质量块，当所安装的质量块较大时，非工作状态下压电振子既已产生较大变形，工作过程中也会因变形过大而损毁。可见，现有压电振动能量采集器自身频带窄、固有频率高及振动能量回收方向单一依然是制约实际应用的技术瓶颈。
发明内容
本发明提供一种非接触激励的多维振动能量采集器，以解决现有发电装置固有频率高、大振幅振动损毁、无法收集多方向振动能量等问题。
本发明采用的实施方案是：壳体上顶面及下底面分别设有用于固定压电振子的连接座，该压电振子用螺钉固定在所述的连接座上；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，其端部安装有磁铁；壳体的上顶面安装有拉簧、下底面安装有压簧，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块链接，所述质量块的周围镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块上的磁铁的同性磁极相对安装。
本发明一种实施方式中，固定于壳体上顶面和下底面上的压电振子的长度不相等。
本发明一种实施方式中，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为1-20个。
本发明一种实施方式中，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为4~12个。
本发明一种实施方式中，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为6个。
在本发明中，一个壳体、两组端部安装有磁铁的悬臂梁压电振子、一个镶嵌有磁铁的质量块、两个将质量块和壳体相连接的弹簧共同构成发电装置。在自然状态下，质量块在弹簧力以及周边磁铁排斥力的作用下静止不动，质量块与各压电振子之间处于相对静止状态。当壳体受外界任一方向振动时，质量块位置发生变化，压电振子上的磁铁与质量块上的磁铁之间的距离和磁场力发生变化，从而引起压电振子受力状态和形状的改变，并将机械能转换成电能。
本发明的特点及优势在于： 
利用垂吊式质量块加装磁铁的方式激励悬臂梁压电振子，可实现任意方向的振动能量采集；
质量块自身的重力作用在弹簧上，其质量的大小对压电振子的振动特性无直接影响，易于采用较大质量和低刚度弹簧降低能量采集器的固有频率，可实现低频振动能量回收；
压电振子纵向安装、水平方向振动，振动的激振力由质量块上磁铁的磁力变化所提供，压电振子不至因纵向振幅过大而损毁、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中能量采集器静止状态下的结构剖面示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中能量采集器上下振动状态下的结构剖面示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中能量采集器水平方向振动状态下的结构剖面示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，以安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为6个为例，壳体1的上顶面设有一组用于固定压电振子一2的连接座一101、下底面设有一组用于固定压电振子二6的连接座二102，压电振子一2和压电振子二6分别用螺钉固定在连接座一101和连接座二102上；压电振子一2由金属基板一201和压电晶片一202粘接而成，端部安装有磁铁一10；压电振子二6由金属基板二601和压电晶片二602粘接而成，端部安装有磁铁二11；壳体1的上顶面安装有拉簧7、下底面安装有压簧4，所述拉簧7和压簧4的另一端分别与质量块3链接，所述质量块3的周围镶嵌一组磁铁三5；安装于压电振子一上的磁铁一10及安装于压电振子二上的磁铁二11与安装在质量块3上的磁铁三5的同性磁极相对安装。
在上述例子中，固定于壳体上顶面和下底面上的压电振子的长度不相等也能完成本发明。
在自然状态下，质量块3以及安装在所述质量块上的磁铁三5处于某一平衡位置，所述质量块与各压电振子之间保持相对静止状态。当壳体1受外界任一方向振动时，质量块3以及磁铁三5的位置发生变化，则安装于压电振子上的磁铁一10和磁铁二11与质量块3上的磁铁三5之间的距离以及各磁铁间的排斥力发生变化，从而使压电振子受力状态和形状的改变，并将机械能转换成电能。
如图3所示，壳体1的上下振动会破坏压电振子一2、压电振子二6和质量块3之间的相对平衡状态：壳体1以及安装于壳体1上的压电振子一2和压电振子二6向下振动时，质量块3以及安装于质量块3上的磁铁三5因受惯性力作用响应滞后，并使压簧4拉伸、拉簧7压缩，进而是磁体一10与磁铁三5之间的距离减小、排斥力增加，增加的排斥力迫使压电振子一2向远离质量块3的方向弯曲变形；同时，磁铁二11与磁铁三5之间的距离增加、排斥力降低，压电振子6在自身弹性力的作用下恢复变形，即向靠近质量块的方向变形。
如图4所示，壳体1在水平方向上的振动会破坏压电振子一2、压电振子二6和质量块3之间的相对平衡状态：壳体1以及安装于壳体1上的压电振子一2和压电振子二6向右振动时，质量块3以及安装于质量块3上的磁铁三5因受惯性力作用响应滞后，并使压簧4和拉簧7拉伸，图4中左侧压电振子上的磁铁一10及磁铁二11与质量块3上的磁铁五5之间的距离减小、排斥力增加，从而使左侧的压电振子一2和压电振子二6向远离质量块3的方向弯曲变形，即向左弯曲变形；同时，图4中右侧压电振子上的磁铁一10和磁铁二11与质量块3上的磁铁五5之间的距离增加、排斥力降低，则图4中右侧压电振子一2和压电振子二6在自身弹性力的作用下恢复变形，即向左弯曲变形。
本发明实施例中安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为1-20个中除6个以外时，本领域普通技术人员依然能够不花费创造性劳动即完成本发明。
Claims (5)
1.一种非接触激励的多维振动能量采集器，其特征在于：壳体上顶面及下底面分别设有用于固定压电振子的连接座，该压电振子用螺钉固定在所述的连接座上；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，其端部安装有磁铁；壳体的上顶面安装有拉簧、下底面安装有压簧，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块链接，所述质量块的周围镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块上的磁铁的同性磁极相对安装。
2.根据权利要求1所述的非接触激励的多维振动能量采集器，其特征在于，固定于壳体上顶面和下底面上的压电振子的长度不相等。
3.根据权利要求1所述的非接触激励的多维振动能量采集器，其特征在于，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为1-20个。
4.根据权利要求3所述的非接触激励的多维振动能量采集器，其特征在于，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为4~12个。
5.根据权利要求4所述的非接触激励的多维振动能量采集器，其特征在于，安装于壳体上顶面和下底面上的压电振子数量分别为6个。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: KAN JUNWU LING RONGHUA WANG SHUYUN CHENG GUANGMING CENG PING TO: KAN JUNWUZHANG XIAOYI WANG SHUYUN CHENG GUANGMING LIU KUN ZHAO ZIQIAN LIU ZUOMING KANG JUN ZHAI ZHAI |
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