本发明专利技术实施例公开了一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，涉及可再生能源和微功率发电技术领域，能够自动收集水平面内的振动能，又能够稳定可靠运行，且加工使用成本低。本发明专利技术包括：用于摆动的质量块1、牵引质量块1的摆线2、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、用于机电耦合转换的压电元件5、第一永磁体6和第二永磁体7；质量块1构成振荡结构中的摆球；第一悬臂梁3的刚度小于第二悬臂梁4，第一悬臂梁3和质量块1及摆球2共同构成振荡结构；第二悬臂梁4和压电元件5构成用于发电振荡结构的压电悬臂梁；第一永磁体6和第二永磁体7平行放置，并构成一对非线性互斥力。本发明专利技术适用于水平面内任一方向的振动能的自动收集。
【技术实现步骤摘要】
一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器
本专利技术涉及可再生能源和微功率发电
，尤其涉及一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器。
技术介绍
环境能量收集技术是一种将周围环境中某种或几种能量源,通过一定的方式转化为电能的技术。目前大量应用在了共享单车、购物车等共享式设备上,用于智能锁设备供电,避免了经营者需要每天大批量更换电池而导致的巨额维护费用。在这其中，利用压电材料的正压电效应，将环境振动机械能转化为电能的压电发电器，获得了绝大多数学者的青睐。为了最大化机电耦合效率，往往要求收集器自身的固有频率与环境振源频率匹配。实际应用中，相对于压电和电磁式发电机，存在发电功率特别低的问题。且由于压电电磁发电器的发电功率是随振动频率的增长而提高的，以电磁发电器为例，为了提高振动频率，往往需要通过设计复杂的齿轮增速装置(比如行星齿轮)来提高转动频率以提高电功率，这就导致了成本较高的问题，难以快速形成产业化。因此，如何设计一种结构相对简单，相比加工较齿轮增速设计而言更简单廉价的压电发电器方案，成为了本领域内急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，能够稳定可靠运行，且加工使用成本低，又能够自动收集水平面内任一方向的振动能。为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案：一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，包括：用于摆动的质量块(1)、牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)、第一永磁体(6)和第二永磁体(7)；质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线；第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧；第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成振荡结构压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。具体的，在所述振荡结构中：第二永磁体(7)固定在第一悬臂梁(3)的自由端，第二永磁体(6)固定在第二悬臂梁(4)的自由端。第二悬臂梁(4)为薄片状，第一悬臂梁(3)为薄片状的U型框架，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第二悬臂梁(4)内嵌在第一悬臂梁(3)结构中。可选的，在所述振荡结构中：第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并列分布在固定基础的一端，在初始状态下，第二永磁体(6)和第二永磁体(7)的几何中心点应处于同一水平面上。在所述振荡结构中：第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)都为薄片状，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第一悬臂梁(3)与第二悬臂梁(4)相互平行布置。本专利技术实施例提供的一种水平方向超低频能量收集的升频式压电发电器，首先利用非线性弹簧摆原理，将与摆动固有频率匹配的低频振源提升2倍，即第一悬臂梁(3)在其固有频率处大幅振荡；然后利用二自由度立方非线性原理，通过非线性磁力，进一步提升振源频率至6倍，即第二悬臂梁(4)在其固有频率处大幅振荡。由于第二悬臂梁(4)根部集成有压电元件，最终输出的电压频率将等于第二悬臂梁(4)的振荡频率，即为最初环境振源频率的6倍。从而实现了一种能匹配超低频环境振源的压电振荡器结构，运行稳定可靠，加工使用成本低，同时能有效提升输出频率，提高发电功率；且能够自动收集水平面内任一方向的振动能，无需外界干预。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种可能的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的另一种可能的结构示意图；图3为升频式压电发电器结构的等效模型示意图；图4为升频式压电发电器简化后的等效结构运行过程示意图；图5为本专利技术实施例提供的摆动固有频率调节示意图；图6为本专利技术实施例提供的摆球质量可调节设计示意图；图7为本专利技术实施例提供的理论计算得到系统各自由度振荡波形及其功率谱密度。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。下文中将详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。本实施例中具体提供了一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其中包括：用于摆动的质量块(1)、牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)，而第一永磁体(6)和第二永磁体(7)用于提供非线性耦合力。具体的：质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线。第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，初始状态下，放置在同一水平面上，该设计大大缩小了装置体积。第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，在本实施例的实际应用中，也可以将第一悬臂梁(3)称为低刚度悬臂梁(3)，将第二悬臂梁(4)称为高刚度悬臂梁(4)。第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成所述振荡结构的压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能。第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧，但弹簧伸缩仅沿竖直方向变化，所述等效弹簧的振荡等效于弹簧的伸缩。在实际应用中，可以仅通过改变摆球周围等效重力加速度实现频率匹配调节，相比与传统的改变摆长，该方式更加适用于振动能量收集装置。在本实施例中，用于摆动的质量块(1)，摆线(2)和第一悬臂梁(3)组成的振荡结构，其摆动固有频率仅与摆长及重力加速度有关，以实现超低频匹配，且不会降低结构刚度或加重等效质量。可以自适应收集水平面内任一方向的振动能，无需任何外界操作。将悬臂梁(3)等效成弹簧摆系统中的弹簧，与严格定义的弹簧摆略有区别，原因在于：严格意义上的弹簧摆中存在沿摆长方向变化加速度，本实施例中摆长变化加速度只沿竖直方向变化。在本实施例中，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)各自的自由端固定有永磁体，彼此间呈互斥力，通过非线性磁铁力的耦合，最终实现升频转换。另外，所述永磁体之间的间距可以在装配过程中手动调节。第一永磁体(6)和第二永磁体(7)之间的非线性互斥力本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，包括：用于摆动的质量块(1)、用于牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)、第一永磁体(6)和第二永磁体(7)；质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线；第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧；第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成振荡结构的压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。
【技术特征摘要】
1.一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，包括：用于摆动的质量块(1)、用于牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)、第一永磁体(6)和第二永磁体(7)；质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线；第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧；第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成振荡结构的压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。2.根据权利要求1所述的用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，在所述振荡结构中：第二永磁体(7)固定在第一悬臂梁(3)的自由端，第二永磁体(6)固定在第二悬臂梁(4)的自由端。3.根据权利要求2所述的用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，在所述振荡结构中：第二悬臂梁(4)为薄片状，第一悬臂梁(3)为薄片状的U型框架，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴义鹏，季宏丽，徐佳文，裘进浩，聂瑞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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