收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器及其俘能方法技术

本发明专利技术公开了收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器及其俘能方法。人体运动频率低，现有压电俘能器难以处于有效俘能频带中，导致其输出功率低下。本发明专利技术的圆形外壳底座包括圆环形外壳和圆形底座；转轴与圆形底座构成转动副；摆砣固定在转轴上，在摆砣的平面处两端各开有一个圆孔，各圆孔内嵌一块磁铁；n根压电梁沿周向均布固定在转轴上；圆环形外壳内侧壁固定有沿周向均布的n片拨片；在圆环形外壳内侧壁固定设置两个凸台，凸台与摆砣平面的相对面固定有磁铁。本发明专利技术的摆砣在人体摆动频率下绕转轴摆动，从而通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞，致使压电梁高频振动产生电能，实现升频转换，并通过磁铁引入非线性刚度，拓宽俘能频带。

【技术实现步骤摘要】
收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器及其俘能方法
本专利技术涉及能量收集装置及能量收集方法，具体涉及收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器及其俘能方法。
技术介绍
人体运动过程中存在大量的运动能，比如胳膊和腿的摆动。振动俘能器可以将这些摆动形式的运动能转化成电能，为可穿戴电子产品进行供电。为了不影响人体的正常运动，此类俘能器最好是利用质量块的惯性俘获人体的运动能，而不是人为主动施加驱动力。压电材料因自身的机电耦合系数高，可达到较高的能量转换效率，因此，广泛用于振动能量收集。但因人体运动频率低，现有压电俘能器难以处于有效俘能频带中，导致其输出功率低下。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对压电俘能器在低频环境下输出功率低，效率低的问题，提出一种高效率、高输出功率的碰撞升频式压电俘能器及其俘能方法。本专利技术解决技术问题采取的技术方案是：本专利技术收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器，由拨片、压电梁、摆砣、转轴、磁铁、圆形外壳底座和凸台组成；所述的圆形外壳底座包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；所述的转轴与圆形底座同轴设置，且转轴与圆形底座构成转动副。所述的摆砣包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴半径大2～4mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4～6mm；摆砣开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣的中心孔固定在转轴上，在第二半圆柱的平面处两端各开有一个圆孔，各圆孔内嵌一块磁铁。n根压电梁沿转轴周向均布固定在转轴上，4≤n≤8。圆环形外壳内侧壁固定有沿周向均布的n片拨片；转轴轴向方向上，拨片与压电梁位置对齐；转轴径向方向上，拨片与转轴轴心的距离小于压电梁外端端面与转轴轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁固定设置两个凸台，两个凸台分设在第二半圆柱的平面两端，且转轴中心轴线与两个凸台的距离相等；转轴轴向方向上，凸台与压电梁间距设置；凸台与第二半圆柱平面的相对面固定有磁铁。第二半圆柱的平面与凸台固定磁铁的平面平行状态下，第二半圆柱上的磁铁与对应端凸台上的磁铁同轴设置且相对端的磁极相同。所述的圆环形外壳靠近两个凸台位置处均开设一个调节孔组；所述的调节孔组包括沿圆环形外壳周向排布的三个调节孔，每两个调节孔的中心轴线夹角相等；凸台与其中一个调节孔通过螺钉连接。所述的磁铁采用圆柱体。该收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器的俘能方法，具体如下：携带时将摆砣水平放置，摆砣在人体摆动频率下绕转轴摆动，从而通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞，致使压电梁高频振动产生电能。摆砣摆动时，第二半圆柱两端的磁铁与对应端凸台上的磁铁相互排斥磁力作用，为摆砣引入了非线性刚度，拓宽摆砣的有效俘能频带，当人体摆动频率在摆砣有效俘能频带内时，摆砣摆幅增大，压电梁与拨片的碰撞力增大，从而收集更多的人体摆动能。并且，第二半圆柱两端的磁铁与对应端凸台上的磁铁相互排斥磁力作用，将无法及时转化的动能以磁力势能形式存储起来，从而收集更多的人体摆动能。本专利技术具有的有益效果：通过引入非线性刚度，拓宽俘能频带，以碰撞的形式将低频摆动转化为高频振动，实现升频转换，利用压电效应将人体摆动能转化为电能。附图说明图1为本专利技术的平面示意图；图2为本专利技术的立体图；图3为本专利技术中摆砣的结构立体图；图4为本专利技术中凸台位置调节到与摆砣最近时的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例作详细说明。参照图1、2、3，本专利技术提出的收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器，由拨片1、压电梁2、摆砣3、转轴4、磁铁5、圆形外壳底座6和凸台组成；圆形外壳底座6包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；转轴4与圆形底座同轴设置，且转轴4与圆形底座构成转动副。摆砣3包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴4半径大2mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4mm；摆砣3开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣3的中心孔固定在转轴4上，在第二半圆柱的平面处两端各开有一个圆孔，各圆孔内嵌一块磁铁5。六根压电梁2沿转轴4周向均布固定在转轴4上。圆环形外壳内侧壁固定有沿周向均布的六片拨片1；拨片1相对转轴4的轴向位置与压电梁2相对转轴4的轴向位置对应；转轴4径向方向上，拨片1与转轴4轴心的距离小于压电梁2外端端面与转轴4轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁固定设置两个凸台，两个凸台分设在第二半圆柱的平面两端，且转轴4中心轴线与两个凸台的距离相等；转轴轴向方向上，凸台与压电梁2间距设置；凸台与第二半圆柱平面的相对面固定有磁铁5。第二半圆柱的平面与凸台固定磁铁5的平面平行状态下，第二半圆柱上的磁铁5与对应端凸台上的磁铁5同轴设置且相对端的磁极相同。当俘能器未发生运动时，第二半圆柱两端的磁铁5受来自两端凸台上磁铁5的大小相等的排斥磁力作用，能处于平衡位置，不发生摆动。参照图1、图4，圆环形外壳靠近两个凸台位置处均开设一个调节孔组；调节孔组包括沿圆环形外壳周向排布的三个调节孔，每两个调节孔的中心轴线夹角相等；凸台与其中一个调节孔通过螺钉连接，凸台可与不同位置调节孔连接，因此相对圆环形外壳的上下位置可调节，从而改变第二半圆柱上的磁铁5和凸台上的磁铁5初始间距，最终改变摆砣3的非线性刚度，实现拓宽摆砣3的有效俘能频带的目的。故可通过调节凸台位置，使摆砣3的工作频率更易匹配人体摆动频率。本实施例中磁铁采用圆柱体，也可使用其他形状。该收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器的俘能方法，具体如下：人体携带该俘能器时将摆砣3水平放置，摆砣3在人体摆动频率(小于10Hz)下绕转轴4摆动，从而通过转轴4带动压电梁2与拨片1发生碰撞，致使压电梁2高频振动，实现低频向高频(50～500Hz)的转变；压电梁2发生高频振动能产生电能，从而达到俘能的目的。多个压电梁2和拨片1组合发生碰撞，有效提高了输出功率。摆砣3摆动时，第二半圆柱两端的磁铁与对应端凸台上的磁铁相互排斥磁力作用，为摆砣3引入了非线性刚度，因此拓宽摆砣3的有效俘能频带，当人体摆动频率在摆砣3有效俘能频带内时，摆砣3摆幅显著，压电梁2与拨片1的碰撞力增大，俘能器可收集更多的摆动能，使俘能器在更宽频带上高效地发电。并且，第二半圆柱两端的磁铁与对应端凸台上的磁铁相互排斥磁力作用，可以将无法及时转化的动能以磁力势能形式存储起来，从而收集更多的摆动能。本专利技术所提出的收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器能在低频环境下，通过引入非线性刚度，拓宽俘能频带，以碰撞的形式将低频摆动转化为高频振动，实现升频转换，利用压电效应将人体摆动能转化为电能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器，其特征在于：由拨片、压电梁、摆砣、转轴、磁铁、圆形外壳底座和凸台组成；所述的圆形外壳底座包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；所述的转轴与圆形底座同轴设置，且转轴与圆形底座构成转动副；所述的摆砣包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴半径大2～4mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4～6mm；摆砣开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣的中心孔固定在转轴上，在第二半圆柱的平面处两端各开有一个圆孔，各圆孔内嵌一块磁铁；n根压电梁沿转轴周向均布固定在转轴上，4≤n≤8；圆环形外壳内侧壁固定有沿周向均布的n片拨片；转轴轴向方向上，拨片与压电梁位置对齐；转轴径向方向上，拨片与转轴轴心的距离小于压电梁外端端面与转轴轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁固定设置两个凸台，两个凸台分设在第二半圆柱的平面两端，且转轴中心轴线与两个凸台的距离相等；转轴轴向方向上，凸台与压电梁间距设置；凸台与第二半圆柱平面的相对面固定有磁铁；第二半圆柱的平面与凸台固定磁铁的平面平行状态下，第二半圆柱上的磁铁与对应端凸台上的磁铁同轴设置且相对端的磁极相同。...

【技术特征摘要】
1.收集人体摆动能的碰撞升频式压电俘能器，其特征在于：由拨片、压电梁、摆砣、转轴、磁铁、圆形外壳底座和凸台组成；所述的圆形外壳底座包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；所述的转轴与圆形底座同轴设置，且转轴与圆形底座构成转动副；所述的摆砣包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴半径大2～4mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4～6mm；摆砣开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣的中心孔固定在转轴上，在第二半圆柱的平面处两端各开有一个圆孔，各圆孔内嵌一块磁铁；n根压电梁沿转轴周向均布固定在转轴上，4≤n≤8；圆环形外壳内侧壁固定有沿周向均布的n片拨片；转轴轴向方向上，拨片与压电梁位置对齐；转轴径向方向上，拨片与转轴轴心的距离小于压电梁外端端面与转轴轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁固定设置两个凸台，两个凸台分设在第二半圆柱的平面两端，且转轴中心轴线与两个凸台的距离相等；转轴轴向方向上，凸台与压电梁间距设置；凸台与第二半圆柱平面的相对面固定有磁铁；第二半圆柱的平面与凸台固定磁铁的平面平行状态下，第二半圆柱上的磁铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐振龙，王文，翁一新，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33