一种多梁非线性的压电振动俘能器

1.本发明涉及压电发电领域，利用多梁结构与非线性磁斥力结构，实现拓宽频带，拥有多个固有频率的目的，从而在低频范围内提升压电振动俘能器的宽频效果以及输出性能，达到更优的俘能效果，具体涉及一种多梁非线性的压电振动俘能器。


背景技术：

2.随着物联网的发展，产生了一个新的亟需解决问题，即物联网的众多网络节点需要独立的供能系统。然而，传统的供能系统有许多不足之处，例如传统电池的使用寿命短以及其失效后导致的污染问题。俘能单元是传感器系统中的一个关键子系统，这些俘能单元常常部署在电力接入受限的区域或系统中。这些俘能单元将自然环境中的能量，如阳光、热量、振动和人体运动转化为电能，以直接使用或储存。
3.常见的能量采集器采用的能量转换机制通常基于静电、电磁或压电方法。压电采集器以其高功率密度、简单和易于制造的结构为优势而广泛应用。然而，传统压电采集器有限的频率范围是一个明显的缺陷，因此，当自然环境中源频率远离压电片谐振频率时，俘能效率急剧降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对压电俘能器的俘能效果差的问题，提供一种多梁结构使压电振动俘能器在低频范围内有多个固有频率，提高俘能效率；提供一种磁力非线性的结构拓宽共振频带。
5.本发明所采取的技术方案是：一种多梁非线性的压电振动俘能器，由振动板、外梁压电振子、内梁压电振子、质量块、磁铁对组成；所述的压电振动俘能器的三根梁总体上呈现为平行的排布方式；所述的串联与并联结构各有两种，串联结构1与并联结构1的磁铁对中的磁铁固定在振动板上，另一磁铁固定在内梁压电振子上，串联结构2与并联结构2的磁铁对中的磁铁固定在振动板上，另一磁铁固定在外梁压电振子上；所述外梁压电振子由压电片和金属基板组成，内梁压电振子由压电片和金属基板组成；在串联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为串联，具体表现为串联结构1中内梁压电振子连接到外梁压电振子上，外梁压电振子再连接到振动板上，串联结构2中外梁压电振子连接到内梁压电振子上，内梁压电振子再连接到振动板上；在并联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为并联，具体表现为两种并联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为并联，区别在于并联结构1中两根外梁压电振子顶端相连，而并联结构2中两根也为并联关系；在振动板的对侧，与振动板直接连接的梁的前端固定有质量块；所述磁铁对以磁排斥的形式排布，以达到装配整个装置的目的。
6.该多梁非线性的压电振动俘能器的俘能方法，具体如下：当俘能器在振动的环境中工作，先将结构中的振动板固定，当外界环境频率与结构的共振频率一致时，二者发生共振，基板振动会产生较大形变，粘附在基板上的压电片也产生形变，将机械能转换为电能。
多梁结构由三根梁的串联或者并联连接，通过梁与梁之间的带动作用，来使低频范围内出现多个共振频率，从而产生多个的共振频带；与此同时，磁铁对结构通过非线性的磁斥力作用，拓宽频带，提升输出电压。
7.本发明与现有技术相比，具有的优势有：1.融合了多梁结构以及磁斥力磁铁对结构这两种宽频技术的共性优势，以此提升压电振动俘能器的宽频能力与输出性能；2.由三个分支梁构成的多梁结构，形成成双谐振模态结构，实现宽频俘能；3.由两以相互排斥的方式排布的磁铁以及与磁铁直接相连的压电梁构成的磁斥力磁铁对结构，形成双稳态结构，磁固耦合，提升输出性能，实现宽频俘能。
附图说明
8.图1是本发明多梁非线性的压电振动俘能器的串联结构1的三维图。
9.图2是本发明多梁非线性的压电振动俘能器的串联结构2的三维图。
10.图3是本发明多梁非线性的压电振动俘能器的并联结构1的三维图。
11.图4是本发明多梁非线性的压电振动俘能器的并联结构2的三维图。
12.图5是本发明多梁非线性的压电振动俘能器的结构图。
13.图中：1 .振动板；2 .外梁压电振子；3 .内梁压电振子；4 .质量块；5 .磁铁对。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作详细说明。
15.参照附图1、附图2、附图3与附图4，一种多梁非线性的压电振动俘能器，由振动板（1）、外梁压电振子（2）、内梁压电振子（3）、质量块（4）、磁铁对（5）组成；所述的串联与并联结构各有两种，串联结构1与并联结构1的磁铁对中的磁铁（5-1）固定在振动板（1）上，另一磁铁（5-2）固定在内梁压电振子（3）上，串联结构2与并联结构2的磁铁对中的磁铁（5-1）固定在振动板（1）上，另一磁铁（5-2）固定在外梁压电振子（2）上，所述外梁压电振子（2）由压电片（2-1）和金属基板（2-2）组成，内梁压电振子（3）由压电片（3-1）和金属基板（3-2）组成；在串联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为串联，具体表现为串联结构1中内梁压电振子（3）连接到外梁压电振子（2）上，外梁压电振子（2）再连接到振动板（1）上，串联结构2中外梁压电振子（2）连接到内梁压电振子（3）上，内梁压电振子（3）再连接到振动板（1）上；在并联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为并联，具体表现为两种并联结构中，内外梁压电振子之间的连接方式为并联，区别在于并联结构1中两根外梁压电振子（2）顶端相连，而并联结构2中两根外梁压电振子（2）也为并联关系；在振动板（1）的对侧，与振动板（1）直接连接的压电振子的前端固定有质量块（4）；所述磁铁对（5）以磁排斥的形式排布。
16.该多梁非线性的压电振动俘能器的俘能方法，具体如下：当俘能器在振动的环境中工作，先将结构中的振动板固定，当外界环境频率与结构的共振频率一致时，二者发生共振，基板振动会产生较大形变，粘附在基板上的压电片也产生形变，将机械能转换为电能。多梁结构由三根梁的串联或者并联连接，通过梁与梁之间的带动作用，来使低频范围内出现多个共振频率，从而产生多个的共振频带；与此同时，磁铁对结构通过非线性的磁斥力作用，拓宽频带，提升输出电压。


技术特征：
1.一种多梁非线性的压电振动俘能器，由振动板（1）、外梁压电振子（2）、内梁压电振子（3）、质量块（4）、磁铁对（5）组成。2.所述的串联与并联结构各有两种，串联结构1与并联结构1的磁铁对中的磁铁（5-1）固定在振动板（1）上，另一磁铁（5-2）固定在内梁压电振子（3）上，串联结构2与并联结构2的磁铁对中的磁铁（5-1）固定在振动板（1）上，另一磁铁（5-2）固定在外梁压电振子（2）上。3.根据权利要求书1所述的一种多梁非线性的压电振动俘能器结合了由两根外梁压电振子（2）和一根内梁压电振子（3）构成的多梁结构和由磁铁对（5）构成的非线性磁力结构，从而实现拓宽工作频带，整体结构拥有多个频率进行工作的目的。

技术总结
本发明公开了一种多梁非线性的压电振动俘能器，涉及压电发电领域，利用多梁结构与非线性磁斥力结构，实现拓宽频带，拥有多个固有频率的目的，从而在低频范围内提升压电振动俘能器的宽频效果以及输出性能，同时提高输出电压，增大输出功率，以此提升压电振动俘能器的宽频能力与输出性能。本发明的结构包括基板、压电片、内梁压电振子、外梁压电振子、质量块和磁铁对，内梁压电振子与外梁压电振子总共有四种连接方式，包括两种串联连接方式与两种并联连接方式。本发明的多梁非线性的压电振动俘能器通过多梁结构与非线性磁斥力结构，使压电振动俘能器在低频范围内拥有宽频带俘能的效果，同时具备较大的输出电压。同时具备较大的输出电压。同时具备较大的输出电压。


技术研发人员：胡意立 魏楠 温建明 马继杰 李建平 李胜杰 万嫩
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2022.08.17
技术公布日：2022/11/15