多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器制造技術

一種多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器，包括：細長圓梁、底端開口的基套、基板和勢能阱調節螺桿，其中：基板設置于基套開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿穿設于基板中心且位于基套內的一端設有勢能阱調節磁鐵，細長圓梁設置于基套內且一端固定于基套頂端端面中心，細長圓梁的另一端設有磁振子，與基套相連的基板面上設有伸張型換能器，換能器的與磁振子相對側設有磁定子，本發明專利技術結構簡單，對稱磁吸引力使本發明專利技術成為具有磁力干預作用的雙穩態非線性系統，具有更寬的工作頻寬，在微弱振動環境下等效壓電系數被放大數百倍，轉換產生更多電能。

Multidirectional magnetically stretched bistable vibrational energy trapping device

A multidirectional magnetic pull type bistable vibration energy capture, including an elongated circle beam and the bottom end opening of the base sleeve, substrate and the potential energy wells adjusting screw, wherein a substrate is arranged on the base cover opening and closing an opening, a potential well adjusting screw penetrated and positioned in the center of the substrate is set inside the base with potential energy wells magnet, elongated circular beam is arranged on the base sleeve and one end fixed on the base set top end, the other end is provided with a slender circular magnetic vibrator beam type transducer is provided with a base, stretch sleeve connected with the substrate surface on the opposite side of the transducer, and magnetic vibrator is provided with a magnetic stator, the invention has the advantages of simple structure, symmetry the present invention makes the magnetic attraction become nonlinear bistable system with a magnetic interference effect, has a wider working bandwidth, in the weak vibration environment of equivalent piezoelectric coefficient is up to hundreds of times, resulting in more power conversion.

【技術實現步驟摘要】
多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器
本專利技術涉及的是一種能量轉換領域的技術，具體是一種多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器。
技術介紹
能量俘獲器可以從振動環境中俘獲能量，采用線性系統的能量俘獲器其在較窄固有頻率中振幅較大，不能適用于頻率分布廣泛的環境振動；采用非線性系統的能量俘獲器具有較寬的諧振頻寬?，F有的能量俘獲器通常通過貼在懸臂梁上的單層或雙層壓電片將將振動能量轉換為電能，只能在一個方向上俘獲能量。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術大多通過陣列方式增加俘獲能量的方向，占用空間大，能量密度低，俘能效率低且工作頻帶較窄的缺陷，提出一種多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器。本專利技術是通過以下技術方案實現的：本專利技術包括：細長圓梁、底端開口的基套、基板和勢能阱調節螺桿，其中：基板設置于基套開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿穿設于基板中心且位于基套內的一端設有勢能阱調節磁鐵，細長圓梁設置于基套內且一端固定于基套頂端端面中心，細長圓梁的另一端設有磁振子，與基套相連的基板面上設有伸張型換能器，換能器的與磁振子相對側設有磁定子。所述的勢能阱調節磁鐵的磁感應強度與其體積的乘積小于四分之一磁定子的磁感應強度與其體積的乘積。所述的換能器包括壓電層和兩層彈性金屬層，壓電層設置于兩層彈性金屬層之間。所述的換能器為一圓盤形換能器，圓盤形換能器設置于基板中心處，與其相連的磁定子為圓環形永磁鐵，換能器中心設有通孔。所述的圓盤形換能器設有若干徑向切縫，徑向切縫周向均勻分布。所述的換能器為若干矩形換能器，環布于基板中心處。所述的磁定子為圓柱形永磁體。所述的基套為圓柱形，基板為圓形。所述的基套為方柱形，基板為方形。技術效果與現有技術相比，本專利技術結構簡單，對稱磁吸引力使本專利技術成為具有磁力干預作用的雙穩態非線性系統，具有更寬的工作頻寬，在微弱振動環境下等效壓電系數被放大數百倍，轉換產生更多電能。磁力干預作用，即當振動位移較小，磁力與位移方向相同，促使位移增加；當振動位移大于一定值，磁力與位移方向相反，促使位移減小。磁力干預作用促使振動位移處于機電耦合系數比較高的區域，使更多振動能量被轉換為電能,。在激勵峰值加速度小于0.5g、5～25Hz掃頻試驗中，利用對稱磁吸引力的雙穩態系統比利用單個磁排斥力的雙穩態系統，工作頻帶增加了約80％，在小于10Hz的低頻振動激勵下能夠有效俘獲能量，而且隨著振動激勵增強，俘獲的能量增加的更多，當激勵峰值加速度為0.6g，具有磁力干預作用的非線性雙穩態系統工作頻帶約為一般雙穩態系統工作頻帶的300％。同時，試驗也驗證了等效壓電系數被放大了134倍。附圖說明圖1為實施例1中能量俘獲器結構示意圖；圖2為實施例1中能量俘獲器組裝示意圖；圖3為實施例1中能量俘獲器A處放大示意圖；圖4為圓盤形換能器平面圖；圖5為圓盤形換能器剖視圖；圖6為實施例1中能量俘獲器功能原理圖；圖7為實施例2中能量俘獲器結構示意圖；圖8為實施例2中矩形換能器擺放示意圖；圖中：1細長圓梁、2基套、3磁振子、4磁定子、5圓盤形換能器、6基板、7勢能阱調節螺桿、8勢能阱調節磁鐵、9彈性金屬層、10壓電層、11矩形換能器。具體實施方式如圖1～2所示，本實施例包括：細長圓梁1、底端開口的基套2、基板6和勢能阱調節螺桿7，其中：基板6設置于基套2開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿7穿設于基板6中心處且位于基套2內的一端設有勢能阱調節磁鐵8，細長圓梁1一端設置于基套2內的頂端中心處，細長圓梁1的另一端設有磁振子3，與基套2相連的基板6面上設有伸張型換能器，換能器的與磁振子3相對側設有磁定子4。所述的基套2為圓柱形，該基套2的底端為圓形開口。基板6也為圓形封蓋于基套2的底端開口處。如圖3所示，所述的換能器為一圓盤形換能器5，設置于基板6中心處，與其相連的磁定子4為圓環形永磁鐵，圓盤形換能器5中心處設有通孔。該換能器包括壓電層10和兩層彈性金屬層9，壓電層10設置于兩層彈性金屬層9之間。所述的磁振子3和勢能阱調節磁鐵8都為圓柱形永磁鐵，磁振子3自由端為S極，而勢能阱調節磁鐵8和磁定子4與磁振子3相對端都為N極。勢能阱調節磁鐵8的磁感應強度與其體積的乘積小于四分之一磁定子4的磁感應強度與其體積的乘積。如圖4～5所示，所述的圓盤形換能器5設有若干徑向切縫，徑向切縫周向均勻分布。如圖6所示，環境中某一個方向的振動或多方向的振動耦合可以分解為空間坐標系x、y和z方向的振動。當基套2受到等效x、y方向的激勵時，細長圓梁1和末端的磁振子3構成的振動系統受迫振動，末端磁振子3產生位移，末端磁振子3與磁定子4之間的距離發生變化，磁鐵之間的距離變化導致磁力的變化，從而對圓盤形換能器5產生周期性磁力激勵，磁力被伸張結構放大和傳遞到壓電層10，壓電層10變形從而壓電效應發電，產生的電壓經過電路處理后直接使用或存儲備用。當基套2受到等效z方向的激勵時，細長圓梁1和末端磁振子3構成的振動系統參數發生變化，磁振子3發生參激振動，末端磁振子3產生位移，從而產生周期性磁力激勵伸張型換能器。當在激勵比較弱的環境中工作，可以通過勢能阱調節螺桿7減小勢能阱深度，即增加磁振子3與勢能阱調節磁鐵8之間的磁吸引力，中和更多磁定子4與磁振子3之間的磁吸引力，減少磁振子3從一個穩態跳到另一個穩態所需要的能量，從而有利于在低頻微弱振動環境中俘獲能量。當在激勵比較強的環境中工作，則可以進行相反的操作。與現有技術相比，本裝置結構簡單，對稱磁吸引力使系統成為具有磁力干預作用的雙穩態非線性系統，具有更寬的工作頻寬，在小于0.5g的微弱振動環境下工作頻帶提高了約80％，在0.6g峰值加速度下，工作頻帶增加了200％，等效壓電系數被放大了134倍。實施例2如圖7～8所示，本實施例包括：細長圓梁1、底端開口的基套2、基板6和勢能阱調節螺桿7，其中：基板6設置于基套2開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿7穿設于基板6中心處且位于基套2內的一端設有勢能阱調節磁鐵8，細長圓梁1一端設置于基套2內的頂端中心處，細長圓梁1的另一端設有磁振子3，與基套2相連的基板6面上設有若干伸張型換能器，換能器的與磁振子3相對側設有磁定子4。本實施例與實施例1相比的不同之處在于：所述的基套2為方柱形，基板6也為方形。所述的伸張型換能器為四個矩形換能器11，四個矩形換能器11環布于勢能阱調節螺桿7的四周。該矩形換能器11的彈性金屬層9和壓電層10都為矩形。該矩形換能器11長度方向平行或垂直于勢能阱調節螺桿7的徑向方向。磁定子4為圓柱形永磁鐵。與實施例1相比，本實施例進一步的技術效果在于：方柱形適合放置，矩形換能器更容易加工，裝配更加靈活。上述具體實施可由本領域技術人員在不背離本專利技術原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進行局部調整，本專利技術的保護范圍以權利要求書為準且不由上述具體實施所限，在其范圍內的各個實現方案均受本專利技術之約束。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器，其特征在于，包括：細長圓梁、底端開口的基套、基板和勢能阱調節螺桿，其中：基板設置于基套開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿穿設于基板中心且位于基套內的一端設有勢能阱調節磁鐵，細長圓梁設置于基套內且一端固定于基套頂端端面中心，細長圓梁的另一端設有磁振子，與基套相連的基板面上設有伸張型換能器，換能器的與磁振子相對側設有磁定子。

【技術特征摘要】
1.一種多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器，其特征在于，包括：細長圓梁、底端開口的基套、基板和勢能阱調節螺桿，其中：基板設置于基套開口處并封閉開口，勢能阱調節螺桿穿設于基板中心且位于基套內的一端設有勢能阱調節磁鐵，細長圓梁設置于基套內且一端固定于基套頂端端面中心，細長圓梁的另一端設有磁振子，與基套相連的基板面上設有伸張型換能器，換能器的與磁振子相對側設有磁定子。2.根據權利要求1所述的多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器，其特征是，所述的勢能阱調節磁鐵的磁感應強度與其體積的乘積小于四分之一磁定子的磁感應強度與其體積的乘積。3.根據權利要求2所述的多向磁拉式雙穩態振動能量俘獲器，其特征是，所述的換能器包括壓電層和兩層彈性金屬層，壓電層設置于兩層彈性金屬層之間。4.根據權利要求3所述的多...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄒鴻翔，李汶柏，張文明，魏克湘，孟光，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海,31