本發(fā)明涉及的是一種能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種多向磁拉式雙穩(wěn)態(tài)振動能量俘獲器。

背景技術(shù)：

能量俘獲器可以從振動環(huán)境中俘獲能量，采用線性系統(tǒng)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(huán)境振動；采用非線性系統(tǒng)的能量俘獲器具有較寬的諧振頻寬?，F(xiàn)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(zhuǎn)換為電能，只能在一個(gè)方向上俘獲能量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)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(wěn)態(tài)振動能量俘獲器。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：細(xì)長圓梁、底端開口的基套、基板和勢能阱調(diào)節(jié)螺桿，其中：基板設(shè)置于基套開口處并封閉開口，勢能阱調(diào)節(jié)螺桿穿設(shè)于基板中心且位于基套內(nèi)的一端設(shè)有勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵，細(xì)長圓梁設(shè)置于基套內(nèi)且一端固定于基套頂端端面中心，細(xì)長圓梁的另一端設(shè)有磁振子，與基套相連的基板面上設(shè)有伸張型換能器，換能器的與磁振子相對側(cè)設(shè)有磁定子。

所述的勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度與其體積的乘積小于四分之一磁定子的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)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(shè)置于基板中心處，與其相連的磁定子為圓環(huán)形永磁鐵，換能器中心設(shè)有通孔。

所述的圓盤形換能器設(shè)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(huán)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(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，對稱磁吸引力使本發(fā)明成為具有磁力干預(yù)作用的雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，具有更寬的工作頻寬，在微弱振動環(huán)境下等效壓電系數(shù)被放大數(shù)百倍，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生更多電能。磁力干預(yù)作用，即當(dāng)振動位移較小，磁力與位移方向相同，促使位移增加；當(dāng)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(yù)作用促使振動位移處于機(jī)電耦合系數(shù)比較高的區(qū)域，使更多振動能量被轉(zhuǎn)換為電能,。在激勵峰值加速度小于0.5g、5～25Hz掃頻試驗(yàn)中，利用對稱磁吸引力的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)比利用單個(gè)磁排斥力的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，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(qiáng)，俘獲的能量增加的更多，當(dāng)激勵峰值加速度為0.6g，具有磁力干預(yù)作用的非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)工作頻帶約為一般雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)工作頻帶的300％。同時(shí)，試驗(yàn)也驗(yàn)證了等效壓電系數(shù)被放大了134倍。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中能量俘獲器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1中能量俘獲器組裝示意圖；

圖3為實(shí)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(shí)施例1中能量俘獲器功能原理圖；

圖7為實(shí)施例2中能量俘獲器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為實(shí)施例2中矩形換能器擺放示意圖；

圖中：1細(xì)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(diào)節(jié)螺桿、8勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵、9彈性金屬層、10壓電層、11矩形換能器。

具體實(shí)施方式

如圖1～2所示，本實(shí)施例包括：細(xì)長圓梁1、底端開口的基套2、基板6和勢能阱調(diào)節(jié)螺桿7，其中：基板6設(shè)置于基套2開口處并封閉開口，勢能阱調(diào)節(jié)螺桿7穿設(shè)于基板6中心處且位于基套2內(nèi)的一端設(shè)有勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵8，細(xì)長圓梁1一端設(shè)置于基套2內(nèi)的頂端中心處，細(xì)長圓梁1的另一端設(shè)有磁振子3，與基套2相連的基板6面上設(shè)有伸張型換能器，換能器的與磁振子3相對側(cè)設(shè)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(shè)置于基板6中心處，與其相連的磁定子4為圓環(huán)形永磁鐵，圓盤形換能器5中心處設(shè)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(shè)置于兩層彈性金屬層9之間。

所述的磁振子3和勢能阱調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)磁鐵8和磁定子4與磁振子3相對端都為N極。勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵8的磁感應(yīng)強(qiáng)度與其體積的乘積小于四分之一磁定子4的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)有若干徑向切縫，徑向切縫周向均勻分布。

如圖6所示，環(huán)境中某一個(gè)方向的振動或多方向的振動耦合可以分解為空間坐標(biāo)系x、y和z方向的振動。當(dāng)基套2受到等效x、y方向的激勵時(shí)，細(xì)長圓梁1和末端的磁振子3構(gòu)成的振動系統(tǒng)受迫振動，末端磁振子3產(chǎn)生位移，末端磁振子3與磁定子4之間的距離發(fā)生變化，磁鐵之間的距離變化導(dǎo)致磁力的變化，從而對圓盤形換能器5產(chǎn)生周期性磁力激勵，磁力被伸張結(jié)構(gòu)放大和傳遞到壓電層10，壓電層10變形從而壓電效應(yīng)發(fā)電，產(chǎn)生的電壓經(jīng)過電路處理后直接使用或存儲備用。當(dāng)基套2受到等效z方向的激勵時(shí)，細(xì)長圓梁1和末端磁振子3構(gòu)成的振動系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，磁振子3發(fā)生參激振動，末端磁振子3產(chǎn)生位移，從而產(chǎn)生周期性磁力激勵伸張型換能器。當(dāng)在激勵比較弱的環(huán)境中工作，可以通過勢能阱調(diào)節(jié)螺桿7減小勢能阱深度，即增加磁振子3與勢能阱調(diào)節(jié)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(gè)穩(wěn)態(tài)跳到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需要的能量，從而有利于在低頻微弱振動環(huán)境中俘獲能量。當(dāng)在激勵比較強(qiáng)的環(huán)境中工作，則可以進(jìn)行相反的操作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，對稱磁吸引力使系統(tǒng)成為具有磁力干預(yù)作用的雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，具有更寬的工作頻寬，在小于0.5g的微弱振動環(huán)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(shù)被放大了134倍。

實(shí)施例2

如圖7～8所示，本實(shí)施例包括：細(xì)長圓梁1、底端開口的基套2、基板6和勢能阱調(diào)節(jié)螺桿7，其中：基板6設(shè)置于基套2開口處并封閉開口，勢能阱調(diào)節(jié)螺桿7穿設(shè)于基板6中心處且位于基套2內(nèi)的一端設(shè)有勢能阱調(diào)節(jié)磁鐵8，細(xì)長圓梁1一端設(shè)置于基套2內(nèi)的頂端中心處，細(xì)長圓梁1的另一端設(shè)有磁振子3，與基套2相連的基板6面上設(shè)有若干伸張型換能器，換能器的與磁振子3相對側(cè)設(shè)有磁定子4。

本實(shí)施例與實(shí)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(gè)矩形換能器11，四個(gè)矩形換能器11環(huán)布于勢能阱調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)螺桿7的徑向方向。磁定子4為圓柱形永磁鐵。

與實(shí)施例1相比，本實(shí)施例進(jìn)一步的技術(shù)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(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。