一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器

本技术涉及压电俘能，具体为一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器。

背景技术：

1、目前，对于大多数微电子设备，电池凭借其方便、可靠等优点被广泛使用，但是普通电池寿命低，对于某些特殊环境更换麻烦，因此需要研究一种能够长期使用的新能源来供电。

2、目前常规的压电俘能器只能俘获某一单方向的振动能量，当环境中振动为多个方向，或预先不知道振动方向时，常规的俘能器就无法发挥作用。

3、随着微型发电设备的出现以及各种绿色能源的应用，已经大量替换掉电池、电子等消耗型的供电电源，实现长期稳定地向微型电子产品供电的目的。到底该如何有效提高发电性能，拓宽频带一直都是研究的热点和难点。

技术实现思路

1、针对传统压电俘能器俘能方向单一和频率带宽较窄的现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案:一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，包括支架结构、悬臂梁压电结构、弹性碰撞结构；所述支架结构包括底座和移动安装柱，所述底座为圆盘状，内部有四个呈十字状分布的滑槽，所述移动安装柱有四个，分别设置在底座的四个呈十字状分布的滑槽内，所述移动安装柱上端设置有夹持槽；所述悬臂梁压电结构包括压电陶瓷、变截面悬臂梁和永磁体，所述变截面悬臂梁上表面通过导电胶粘贴有压电陶瓷，下表面设置为变截面悬臂梁厚度，所述变截面悬臂梁末端固定粘贴有永磁体，所述变截面悬臂梁夹持端设置在移动安装柱夹持槽内；所述弹性碰撞结构包括矩形夹具、t形夹具、刚性弹簧、矩形重物，所述矩形夹具设置在变截面悬臂梁末端上表面，所述t形夹具底端设置在变截面悬臂梁末端下表面，所述t形夹具顶端设置有环形槽，所述刚性弹簧一端设置在t形夹具的环形槽内，另一端设置在矩形重物的环形槽内，所述矩形重物一面设置有环形槽。

3、优选地，所述移动安装柱可在底座的滑槽内滑动并夹紧固定，根据不同的工况调节安装位置，可通过螺栓孔螺钉螺栓固定夹紧，所述移动安装柱固定后高度保持一致，所述移动安装柱的夹持槽可通过螺栓孔螺钉螺栓固定夹紧。

4、优选地，所述悬臂梁压电结构有四个，自由端设置有二个彼此吸引的永磁体，不同悬臂梁压电结构自由端的彼此垂直且距离近的永磁体之间相对磁性相同。

5、优选地，所述变截面悬臂梁下表面设置为变截面厚度，所述变截面梁下表面最薄截面0.25mm，最厚截面0.75mm。

6、优选地，所述变截面悬臂梁的固定位置决定振动方向，当变截面悬臂梁位置设置在底座左右端时，振动方向为上下振动，当设置在上下端时，振动方向为左右振动。

7、优选地，当振动激励含有垂直于悬臂梁平面的振动分量时，悬臂梁产生受迫振动，同时，不同悬臂梁末端的永磁体之间发生十字式磁耦合，相互影响下使得每个压电陶瓷形变，从而将环境产生的振动能通过正压电效应转化为电能。

8、优选地，所述矩形夹具和t形夹具设置在变截面悬臂梁末端表面，夹具之间通过安装孔螺钉螺栓固定夹紧。

9、优选地，所述刚性弹簧两端设置在环形槽内固定；所述刚性弹簧都有不同的谐振频率。

10、本实用新型提供了一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，具备以下有益效果:1.该压电俘能器，将四个特殊结构的悬臂梁集中于一个平台，能够俘获环境中二维多方向上的振动能量，解决了单一压电悬臂梁只能俘获某一个方向振动能量的问题，在多向复杂的振动环境中俘能效果更好；同时，当外界环境为单向振动形式时，能够通过悬臂梁自由端磁铁间的相互引力或斥力，影响其他方向振动的压电悬臂梁，拓宽频带的同时提高发电效率；同时，压电悬臂梁下表面采用变截面设计，也可以拓宽俘能频带。

11、2.该压电俘能器，采用悬臂梁末端设置弹性碰撞结构的设计，弹性碰撞结构中的每个弹簧都有不同的谐振频率；在环境没有振动的情况下，每个弹簧自身的刚度可以保持末端矩形重物相对静止，不会发生矩形重物脱落，这提高了整个俘能装置的环境适应性；在环境频率变化的情况下，弹簧依次到达自身谐振频率，弹簧振幅急剧增大，带动末端安装的矩形重物撞击压电悬臂梁，使得被撞击的悬臂梁发生弯曲，导致压电陶瓷发生形变，产生压电能量，提高发电效率的同时也拓宽俘能频带。

12、3.该压电俘能器，可以通过移动在底座滑槽中的移动安装柱来调整悬臂梁之间的距离，可提高磁耦合的振动效率，具有环境适应性强、俘能效率高、结构新颖、设计灵活、可系列化生产的优点。

技术特征：

1.一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：包括支架结构(1)、悬臂梁压电结构(2)、弹性碰撞结构(3)；所述支架结构(1)包括底座(4)和移动安装柱(5)，所述底座(4)为圆盘状，内部有四个呈十字状分布的滑槽，所述移动安装柱(5)有四个，分别设置在底座(4)的四个呈十字状分布的滑槽内，所述移动安装柱（5）上端设置有夹持槽；所述悬臂梁压电结构(2)包括压电陶瓷(6)、变截面悬臂梁(7)和永磁体(8)，所述变截面悬臂梁(7)上表面通过导电胶粘贴有压电陶瓷(6)，下表面设置为变截面厚度，所述变截面悬臂梁(7)末端固定粘贴有永磁体(8)，所述变截面悬臂梁(7)夹持端设置在移动安装柱(5)夹持槽内；所述弹性碰撞结构(3)包括矩形夹具(9)、t形夹具(10)、刚性弹簧(11)、矩形重物(12)，所述矩形夹具(9)设置在变截面悬臂梁（7）末端上表面，所述t形夹具(10)底端设置在变截面悬臂梁（7）末端下表面，所述t形夹具(10)顶端设置有环形槽，所述刚性弹簧(11)一端设置在t形夹具(10)的环形槽内，另一端设置在矩形重物（12）的环形槽内，所述矩形重物（12）一面设置有环形槽。

2.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：所述移动安装柱(5)可在底座(4)的滑槽内滑动并夹紧固定，根据不同的工况调节安装位置，可通过螺栓孔（13）螺钉螺栓固定夹紧，所述移动安装柱(5)固定后高度保持一致，所述移动安装柱(5)的夹持槽可通过螺栓孔（13）螺钉螺栓固定夹紧。

3.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：悬臂梁压电结构(2)有四个，自由端设置有二个彼此吸引的永磁体(8)，不同悬臂梁压电结构(2)自由端的彼此垂直且距离近的永磁体(8)之间相对磁性相同。

4.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：所述变截面悬臂梁(7)下表面设置为变截面厚度，所述变截面悬臂梁(7)下表面最薄截面0.25mm，最厚截面0.75mm。

5.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：变截面悬臂梁(7)的固定位置决定振动方向，当变截面悬臂梁(7)位置设置在底座（4）左右端时，振动方向为上下振动，当位置设置在上下端时，振动方向为左右振动。

6.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，其特征在于：当振动激励含有垂直于悬臂梁平面的振动分量时，悬臂梁产生受迫振动，同时，不同悬臂梁末端的永磁体（8）之间发生十字式磁耦合，相互影响下使得每个压电陶瓷(6)形变，从而将环境产生的振动能通过正压电效应转化为电能。

7.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，所述矩形夹具(9)和t形夹具(10)设置在变截面悬臂梁（7）末端表面，夹具之间通过安装孔（14）螺钉螺栓固定夹紧。

8.根据权利要求1所述的一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，所述刚性弹簧(11)两端设置在环形槽内固定；所述刚性弹簧(11)都有不同的谐振频率。

技术总结本技术公开了一种收集二维多方向振动能量的磁耦合碰撞式压电俘能器，是一种将振动能转换为电能的装置，所述装置由支架结构、悬臂梁压电结构、弹性碰撞结构组成；所述支架结构包括底座和移动安装柱，实现安装位置可调节功能；所述悬臂梁压电结构十字式分布，实现二维多方向振动能量收集；所述弹性碰撞结构中有多个不同谐振频率的刚性弹簧，实现对于悬臂梁的碰撞，可扩宽响应频带宽；本技术中所述的压电俘能器可以收集二维多方向的振动能量，且悬臂梁的下表面采用变截面设计，同时有效结合了可调节和碰撞非线性技术，拓宽了系统的工作频带，提高了俘能效率。本技术适应低频环境，响应频带宽，俘能效率高。技术研发人员：朱元成,朱永强,庄虎跃,邹龙华,迟涵,周光耀受保护的技术使用者：青岛理工大学技术研发日：20231204技术公布日：2024/9/19