本發(fā)明屬于振動能量收集領(lǐng)域，涉及一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置。

背景技術(shù)：

1、當前，主要的振動能量回收方法主要包括三種：靜電式、電磁式、壓電式。

2、目前國內(nèi)外針對振動能量收集裝置的設(shè)計，大多數(shù)針對單一頻率下的振動能量進行收集，忽略了實際作業(yè)環(huán)境下頻率成分復(fù)雜，導致振動能量收集效率低，能量利用率低。

3、壓電-電磁耦合振動能量收集裝置可以提高振動能量的收集效率，提高能量的利用，但是，大多數(shù)壓電-電磁耦合振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)不能隨時改變，諧振頻率不可調(diào)節(jié)，不適合復(fù)雜多變的作業(yè)工況。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對振動能量收集裝置現(xiàn)存的主要問題：（1）主要收集單一頻率下的振動能量；（2）諧振頻率不可調(diào)節(jié)；（3）壓電-電磁耦合振動能量收集裝置未充分利用磁鐵間斥力，引入非線性磁力，拓寬振動能量收集的頻帶范圍，實現(xiàn)寬頻帶范圍能量收集；調(diào)節(jié)螺母改變上下支架的位置，改變彎曲壓電換能器頂部磁鐵位置，改變磁鐵之間的磁力大小，調(diào)節(jié)整體裝置振動的諧振頻率。本發(fā)明設(shè)置了彎曲壓電換能器，結(jié)合電磁式和壓電式發(fā)電方式，研制了諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，實現(xiàn)了壓電懸臂梁、電磁線圈、彎曲壓電換能器三部分振動能量同步收集，提高了目前壓電-電磁耦合能量收集裝置磁力利用率，適應(yīng)復(fù)雜多變的實際作業(yè)工況。

2、為實現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

3、一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，包括：能量收集支架（1）、壓電懸臂梁（2）、電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）。

4、能量收集支架（1）包括上支架（11）、螺栓（12）、螺母（13）、下支架（14），下支架（14）中心開有直徑為5~10mm的圓通孔，能量收集支架（1）與外部激勵裝置通過螺栓（12）固定，上支架（11）、下支架（14）通過螺栓（12）和螺母（13）連接固定。

5、壓電懸臂梁（2）包括鋁基板（15）、壓電陶瓷（16），壓電懸臂梁（2）通過鋁制夾片（17）夾持固定，鋁制夾臺（17）夾持鋁基板（15）的長度為20~30mm。

6、電磁線圈（3）包括線圈骨架（19）、線圈（20）、線圈放置臺（21），線圈放置臺（21）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在上支架（11）和下支架（14）內(nèi)表面，線圈（20）繞制在線圈骨架（19）上，線圈骨架（19）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在線圈放置臺（21）表面。

7、彎曲壓電換能器（4）包括彎曲夾片（24）、彎曲壓電換能器磁鐵（22）、壓電陶瓷（23），彎曲夾片（24）中間夾持壓電陶瓷（23），材料為65mn的彎曲夾片（24）底部通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在上支架（11）和下支架（14）表面，彎曲壓電換能器（4）上下部分對稱。

8、作為優(yōu)選，螺栓（12）穿過鋁制夾臺（17）兩側(cè)開有直徑為5~10mm的圓通孔，通過螺母（13）夾持固定壓電懸臂梁（2）。

9、作為優(yōu)選，壓電陶瓷（16）用環(huán)氧樹脂膠水粘貼在鋁基板（15）根部，壓電懸臂梁磁鐵（18）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在壓電懸臂梁（2）末端位置，末端壓電懸臂梁磁鐵（18）上下對稱。

10、作為優(yōu)選，線圈放置臺（21）中心位置設(shè)有圓孔，彎曲壓電換能器磁鐵（22）穿過線圈放置臺（21）圓孔，彎曲壓電換能器磁鐵（22）置于線圈骨架（19）內(nèi)部，線圈骨架（19）與彎曲壓電換能器磁鐵（22）同軸心，電磁線圈（3）上下對稱。

11、作為優(yōu)選，彎曲夾片（24）與壓電陶瓷（23）的角度范圍為15~25°。

12、作為優(yōu)選，彎曲壓電換能器磁鐵（22）直徑與壓電陶瓷（23）、彎曲夾片（24）寬度相等，彎曲壓電換能器磁鐵（22）與壓電懸臂梁磁鐵（18）同軸心。

13、所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，能夠同步收集壓電懸臂梁（2）、電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）三部分的振動能量。

14、作為優(yōu)選，壓電懸臂梁磁鐵（18）和彎曲壓電換能器磁鐵（22）之間的磁距由上支架（11）、下支架（14）螺母（12）連續(xù)調(diào)節(jié)。

15、作為優(yōu)選，壓電懸臂梁（2）通過鋁制夾臺（17）接收振動，壓電懸臂梁末端磁鐵（18）同步帶動電磁線圈（3）和彎曲壓電換能器（4）收集振動能量。

16、作為優(yōu)選，壓電懸臂梁末端磁鐵（18）與電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）在同一垂直位置。

17、本發(fā)明的工作原理：調(diào)節(jié)螺母13改變支架的位置，進而改變磁距，實現(xiàn)振動能量收集裝置的諧振頻率的連續(xù)可調(diào)。下支架14接收外界激勵，振動通過螺栓12傳遞到鋁制夾臺17，鋁制夾臺17上的振動傳遞給壓電懸臂梁2，使壓電懸臂梁2產(chǎn)生上下振蕩，懸臂梁根部壓電陶瓷16受到擠壓力、剪切力，由于正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片16內(nèi)部電荷發(fā)生移動，使壓電陶瓷16外部負載兩端產(chǎn)生電壓。在壓電懸臂梁2上下振蕩的同時，末端壓電懸臂梁磁鐵18上下運動，引起上下線圈20內(nèi)部磁通量發(fā)生變化，線圈20內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流；彎曲壓電換能器4頂部的彎曲壓電換能器磁鐵22受壓電懸臂梁磁鐵18磁力作用，壓迫彎曲壓電換能器4中壓電陶瓷23產(chǎn)生電荷移動，使壓電陶瓷23外部負載兩端產(chǎn)生電壓。

18、本發(fā)明的有益效果集中體現(xiàn)在以下方面：

19、1、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)上下支架的螺母，改變了壓電懸臂梁磁鐵和彎曲壓電換能器磁鐵之間磁距大小，使非線性磁力發(fā)生改變，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)壓電-電磁耦合振動能量收集裝置諧振頻率，實現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)工況下的高效能量收集。

20、2、本發(fā)明在磁力部分設(shè)置了彎曲壓電換能器，提高了壓電-電磁耦合振動能量收集裝置在電磁部分磁力的利用率，同時實現(xiàn)了壓電懸臂梁、電磁線圈、彎曲壓電換能器三部分振動能量的收集，提高了該裝置的振動能量收集效果，最大程度收集振動能量。

21、3、本發(fā)明中壓電懸臂梁、電磁線圈、彎曲壓電換能器三部分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易組裝制造，適合低頻大振幅振動條件下工作。

技術(shù)特征：

1.一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，包括：能量收集支架（1）、壓電懸臂梁（2）、電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）；能量收集支架（1）包括上支架（11）、螺栓（12）、螺母（13）、下支架（14），下支架（14）中心開有直徑為5~10mm的圓通孔，能量收集支架（1）與外部激勵裝置通過螺栓（12）固定，上支架（11）、下支架（14）通過螺栓（12）和螺母（13）連接固定；壓電懸臂梁（2）包括鋁基板（15）、壓電陶瓷（16），壓電懸臂梁（2）通過鋁制夾片（17）夾持固定，鋁制夾臺（17）夾持鋁基板（15）的長度為20~30mm；電磁線圈（3）包括線圈骨架（19）、線圈（20）、線圈放置臺（21），線圈放置臺（21）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在上支架（11）和下支架（14）內(nèi)表面，線圈（20）繞制在線圈骨架（19）上，線圈骨架（19）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在線圈放置臺（21）表面；彎曲壓電換能器（4）包括彎曲夾片（24）、彎曲壓電換能器磁鐵（22）、壓電陶瓷（23），彎曲夾片（24）中間夾持壓電陶瓷（23），材料為65mn的彎曲夾片（24）底部通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在上支架（11）和下支架（14）表面，彎曲壓電換能器（4）上下部分對稱。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，螺栓（12）穿過鋁制夾臺（17）兩側(cè)開有直徑為5~10mm的圓通孔，通過螺母（13）固定夾持壓電懸臂梁（2）。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，壓電陶瓷（16）用環(huán)氧樹脂膠水粘貼在鋁基板（15）根部，壓電懸臂梁磁鐵（18）通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在壓電懸臂梁（2）末端位置，末端壓電懸臂梁磁鐵（18）上下對稱。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，線圈放置臺（21）中心位置設(shè)有圓孔，彎曲壓電換能器磁鐵（22）穿過線圈放置臺（21）圓孔，彎曲壓電換能器磁鐵（22）置于線圈骨架（19）內(nèi)部，線圈骨架（19）與彎曲壓電換能器磁鐵（22）同軸心，電磁線圈（3）上下對稱。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，其特征在于，彎曲夾片（24）與壓電陶瓷（23）的角度范圍為15-25°，彎曲壓電換能器磁鐵（22）直徑與壓電陶瓷（23）、彎曲夾片（24）寬度相等，彎曲壓電換能器磁鐵（22）與壓電懸臂梁磁鐵（18）同軸心。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電-電磁耦合振動能量收集裝置，同步收集壓電懸臂梁（2）、電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）三部分振動能量，其特征在于，壓電懸臂梁磁鐵（18）和彎曲壓電換能器磁鐵（22）之間的磁距由上支架（11）、下支架（14）螺母（12）連續(xù)調(diào)節(jié)，壓電懸臂梁（2）通過鋁制夾臺（17）接收振動，壓電懸臂梁末端磁鐵（18）同步帶動電磁線圈（3）和彎曲壓電換能器（4）收集振動能量，壓電懸臂梁末端磁鐵（18）與電磁線圈（3）、彎曲壓電換能器（4）在同一垂直位置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種諧振頻率連續(xù)可調(diào)的壓電?電磁耦合振動能量收集裝置，包括能量收集支架、壓電懸臂梁、電磁線圈、彎曲壓電換能器。調(diào)節(jié)上下支架的螺母改變磁距，非線性磁力發(fā)生改變，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)振動能量收集裝置諧振頻率，同步收集壓電懸臂梁、電磁線圈、彎曲壓電換能器三部分振動能量。該裝置接收外界激勵，振動通過螺栓傳遞至夾片夾持的壓電懸臂梁，完成懸臂梁根部壓電陶瓷振動能量收集；壓電懸臂梁末端的磁鐵上下運動，改變線圈內(nèi)部磁通量，產(chǎn)生感應(yīng)電流，實現(xiàn)電磁線圈部分振動能量收集；磁鐵與彎曲換能器頂部磁鐵之間的磁斥力作用壓迫彎曲換能器內(nèi)部壓電陶瓷，完成彎曲壓電換能器部分振動能量收集。

技術(shù)研發(fā)人員：姚艷春,修偉嘉,李西斌,李良,褚夫乾,孫偉杰,賈龍飛
受保護的技術(shù)使用者：山東理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2