[发明专利]一种采用弯曲梁的多方向宽频带能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及能量采集装置的技术领域，尤其涉及一种采用弯曲梁的多方向宽频带能量采集器。

背景技术

振动是环境中普遍存在的一种现象，将环境中的振动转化为电能，为无线网络、嵌入式系统等低功耗设备供电，有着非常广泛的应用前景。

目前振动能量回收技术研究主要有三种方式：静电式、电磁式和压电式，其中压电式能量回收装置是近十年的研究热点，因为压电材料能将外界振动能量直接转变为可利用的电能，而且结构简单易于整合到系统之中。压电式能量回收装置主要利用压电材料的压电效应，即压电材料在外力作用下变形并产生电荷，将机械能转化为电能。当发生共振时，压电材料就有最大的变形，就能产生可观的能量输出。目前主要的形式有：压电悬臂梁结构、压电圆盘结构、钹式压电结构、压电螺旋结构等。不同构型的压电能量回收装置包括：单层、双层压电悬臂梁，推拉直压式结构，膜片式结构，管状、辐射状结构，以及钹式压电结构。通过调节结构的尺寸来改变其固有频率，以与环境振动的频率一致。

现有技术中，例如中国专利申请号：201310530588.7，名称为：多方向宽频带能量采集器，该发明提出了采用弹性连接梁感应多方向的振动，利用磁铁间的非线性磁力实现宽频振动能量采集。该发明虽然能够实现多方向的宽频能量采集，但该采集器只能采集两维方向的振动，无法采集沿弹性连接梁方向的振动能量，即无法实现三维方向的振动。再例如中国专利申请号：201210158447.2，名称为：一种低频多方向振动能量回收装置，该发明提出了一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过弯曲弹性梁与外框架相连接，弯曲弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的弯曲弹性梁。由于弯曲弹性梁可以感应三维方向的振动，可实现三维方向的振动能量采集。但是单个采集器只能实现单频率的振动能量采集，如果要实现宽频振动能量采集，需要通过多个采集器单元的组合来实现，这样会导致采集器结构复杂，制作难度加大，制作成本高，同时也降低了采集器的功率密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种采用弯曲梁的多方向宽频带能量采集器，解决目前技术中能量采集器难以采集三维多方向的振动能量，采集频带窄的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种采用弯曲梁的多方向宽频带能量采集器，其特征在于，包括基座、具有压电层的压电悬臂梁、呈弯曲结构的弯曲弹性梁、压电梁磁铁和弯曲梁磁铁，所述的压电悬臂梁、弯曲弹性梁两者的一端为固定在基座上的固定端，两者的另一端为自由端并且分别连接着压电梁磁铁、弯曲梁磁铁，所述的压电梁磁铁、弯曲梁磁铁相对设置并具有间距。本发明所述的采用弯曲梁的多方向宽频带能量采集器采用的弯曲弹性梁呈弯曲结构，其能感应外部三维任意方向的振动，从而带动弯曲梁磁铁振动，压电梁磁铁、弯曲梁磁铁之间的非线性磁力将外部任意方向的振动均转换成非线性振动，这种非线性的振动使得装置获得宽频带的特性，从而能有效地采集三维任意方向的宽频带的振动能量，极大的提高能量采集器适用范围，能量收集效率高，结构简单、紧凑，易于制作。

进一步的，所述的弯曲弹性梁呈L形、半圆形、U形其中的一种，能随着外部的任意三维方向的振动进行振动，增大振动能量的采集范围。

进一步的，所述的弯曲弹性梁的截面为圆形、椭圆形和菱形中的一种。

进一步的，所述的弯曲弹性梁的自由端上连接有质量块，质量块起到增幅的作用，提高对振动能量的收集能力。

进一步的，所述的基座上设置有第一止幅块和第二止幅块，所述的第一止幅块上设置第一止幅孔，所述的第二止幅块上设置第二止幅孔，并且第一止幅孔和第二止幅孔所在平面相互垂直，弯曲弹性梁穿过第一止幅孔和第二止幅孔，并且第一止幅孔和第二止幅孔的孔径大于弯曲弹性梁的外径。弯曲弹性梁在振动的过程中会与第一止幅孔和第二止幅孔发生撞击，撞击使得装置获得宽频特性，进一步将采集的振动能量频带拓宽，由于第一止幅孔和第二止幅孔所在平面相互垂直，弯曲弹性梁在进行第一止幅孔所在平面任意方向上的振动时，弯曲弹性梁能与第一止幅孔发生撞击，而弯曲弹性梁在进行垂直于第一止幅孔所在平面方向上的振动时，弯曲弹性梁会与第二止幅孔撞击，从而第一止幅孔和第二止幅孔共同作用使得弯曲弹性梁在发生三维任意方向的振动时，都至少会与第一止幅孔和第二止幅孔中的一者发生撞击，从而能对三维任意方向的宽频带的振动能量进行有效采集。