[发明专利]一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置

说明书

一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置。其包括振动结构、外框架、紧固件、上悬臂梁、上压电材料块、质量块、上悬臂梁磁铁块、下悬臂梁、下压电材料块、下悬臂梁磁铁块；本发明效果：以双悬臂梁为基础能量收集结构，与其他方法相比，结构设置及设计简单，易于制作及维护。设置两个悬臂梁进行能量收集，可以通过上悬臂梁附加质量块使二者的共振频率不同,从而达到多共振频带的有益效果。以磁铁耦合引入非线性力，与同尺寸无磁铁悬臂梁相比，大大提高了能量收集效率与带宽，且可使两个悬臂梁的拓宽频带有重合,以增大输出适应更复杂的工况。

技术领域

本发明属于能量转化与收集技术领域，特别是涉及一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置。

背景技术

为了实现信息的收集与人机交互，通常将小型化计算设备融入日常的物体中，形成物联网。而无线传感器网络则具有关键作用，该技术与传统的传感器技术相比，具有无需布线、组网自由的特点。而无线传感器的供电问题一直没有得到根本的解决，随着功耗的不断下降，利用环境中的能量为无线传感器供能的方案变得可行。

在我们的生活环境中存在着大量的、各种类型的机械能，例如风动、身体运动、肌肉拉伸、声波、超声波、噪声、机械振动等。利用振动能量收集技术将振动能量转换成电能已经成为该研究领域的重点之一，也是各种技术中实用性较强的一种。利用振动能量为低功耗器件供电，在解决能量问题的同时，可以减小结构振动对于周围环境的影响、降低对结构的振动损伤、延长结构寿命、降低结构的维护维修成本。振动能量收集技术利用机电耦合转换机理将机械能转换为电能，并通过机械结构，将环境中的振动源最大程度地转化为电能进行输出。

目前，振动能量获取技术按照工作原理主要分为四种，分别是磁电式、静电式、压电式、磁致伸缩式。其中，压电式功率密度高、机电转换效率高、无需其他能源支持、便于小型化，因此近几年受到的关注最多。

振动微能量收集装置的主要原理是将压电材料块附着于采集结构中，采集结构与主体结构达到共振状态时振动幅度最大，可以采集到最多的能量。目前有多种采集器的形式，主要有膜式、钹式、悬臂梁式等。悬臂梁式结构由于结构简单、刚度低，实际环境中易实现，可在较低的振动频率下获得较大的输出功率，而获得了很多的关注。大多数压电能量收集器采用了一层或两层的压电陶瓷层(即单晶或双晶)的悬臂梁形式。而传统悬臂梁式压电能量获取装置的频带很窄，这直接限制了收集器的转换效率，这些问题限制了压电式振动能量收集技术的应用。有一种较为常用的解决方式是用阵列式结构，使用多个悬臂梁获得多个共振频率，但是该方法的共振频率依然是离散的，难以获得较高的能量转化效率，实用性不强。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置，用于解决现有技术中悬臂梁式压电振动能量收集装置的窄频带问题，并提高其能量收集效率，以提供一种宽频带、稳定、高效的供电技术。

为了达到上述目的，本发明提供的磁铁耦合双悬臂梁振动能量收集装置包括：振动结构、外框架、紧固件、上悬臂梁、上压电材料块、质量块、上悬臂梁磁铁块、下悬臂梁、下压电材料块、下悬臂梁磁铁块；其中振动结构用于提供能量收集所需的振动；外框架是由非铁磁性金属制成的长方体形结构，底面通过紧固件固定在振动结构的表面；上悬臂梁与下悬臂梁由非铁磁性金属制成，一端作为固定端以平行的方式分别连接在外框架的一侧面上下部，另一端为自由端；上压电材料块及下压电材料块分别设置在上悬臂梁及下悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，并与外部的能量采集电路相连接；质量块和上悬臂梁磁铁块分别设置在上悬臂梁的顶面和底面上靠近自由端的部位；下悬臂梁磁铁块则设置在下悬臂梁顶面上位于上悬臂梁磁铁块正下方的部位。

所述的外框架采用包括铜在内的密度较大的非铁磁性金属材料制成，厚度大于10mm。

所述的紧固件采用螺栓。

所述的上悬臂梁及下悬臂梁采用铝合金，且参数相同。