一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置,该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，底座由沿着空间直角坐标系X、Y轴方向分布的4根水平梁和沿Z轴方向的1根竖直梁组成；所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片、自由端都固定有永磁铁，并按照固有频率的高低依次排列，分别安装在4根水平梁的上表面和竖直梁的四个侧面，固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相邻面上都固定有另一对同名磁极面两两正对的永磁铁。本发明专利技术可以高效率的收集空间任意方向的、宽频带范围的振动能量，空间利用率高，实用性强。

A piezoelectric vibration energy collection device with multi direction and wide frequency band

【技术实现步骤摘要】
一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置
本专利技术涉及振动能量收集领域，主要涉及一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置。技术背景在日常生活中，有很多系统或装置都会产生不同频率的振动，这些振动本身是带有能量的，并且这种振动能量具有较高的能量密度，具有一定的利用价值。然而，这些振动能量往往会被忽视和遗忘。为了能实现对周围环境中振动能量的收集，于是人们提出了各种压电式振动能量收集技术。压电式振动能量收集技术利用了压电材料的正压电效应，即当对压电材料施以物理压力使其发生一定程度的形变时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷。为更好地在振动环境中应用这一效应，人们将压电材料与悬臂梁式结构结合，将压电材料粘贴在悬臂梁结构的夹持端根部附近，通过周围的振动环境引起悬臂梁产生共振效应，从而使夹持端根部附近的压电材料发生形变而产生电能，此时悬臂梁结构的夹持端根部应力最大，因此该位置的正压电效应最佳。在此基础上，研究者设计了很多不同形式的压电悬臂梁振动能量收集装置。但是，目前的压电式悬臂梁振动能量收集装置大多只能收集单一方向上的振动能量，且能量收集效率有限。除此此外，大部分的压电悬臂梁振动能量收集装置的通频带较窄，只能收集小范围频域的振动能量。例如中国专利（公开号CN110282593）公开了一种双向振动的压电能量收集装置，该装置在基体的水平方向和竖直方向上分布有压电材料，依靠基体水平方向上受力变形使压电材料变形产生电能，因此该装置只能收集单一方向上的振动能量，并且只有在外部激励的振动频率接近或等于该梁的固有频率时，才会引起该悬臂梁因共振发电；如中国专利（公开号CN107317511A）公开了一种易越过势垒的双稳态压电能量收集装置，该装置的悬臂梁一端固定在第一固定杆上且在自由端设有一块永磁铁，另一块永磁铁固定在第二固定杆上且两磁铁相互排斥，因此该装置只对沿竖直方向上的振动敏感，因此只能收集此方向上的振动能量，并且收集频域范围较窄，收集效率不高。因此，设计一种高效率的压电式多方向、宽频带振动能量收集装置具有较大的研究及应用价值。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，能够实现多方向、宽频域的振动能量的高效率收集。为实现上述目的，本专利技术的通过以下技术方案来实现：一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：该装置包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，沿X、Y方向分布的四根水平梁的上表面垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁（即固有频率不同的悬臂梁），沿Z方向的竖直梁的四个侧面均垂直分布着一组宽度厚度相同、长度不同的悬臂梁，并与其他四根水平梁上的悬臂梁相对应，且每组悬臂梁按固有频率的高低从里向外依次排列。所有的悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁。固定在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与竖直梁上的悬臂梁自由端的永磁铁同名磁极面两两正对，该对磁铁的作用是实现水平梁与竖直梁的联动，安装在水平梁上每相邻的两个悬臂梁的相对的面上相同高度位置处都固定有另一对永磁铁。这一对永磁铁的同名磁极面也是两两正对，其作用是实现水平梁间的相互联动。进一步地，所述水平梁和竖直梁的截面形状皆为四边形，4根水平梁的横断面分别固定在竖直梁四个侧面，并且水平梁的下表面与竖直梁的下表面重合。进一步地，所述每一组悬臂梁为三根，所述每组悬臂梁宽度厚度相同、长度不同，且皆垂直安装于构成底座的矩形梁上，并按固有频率高低沿轴心从里向外依次排列，且保证悬臂梁宽度方向垂直于与所在矩形梁的长度方向。该装置的基本原理是利用周围的振动环境引起装置中的悬臂梁共振，悬臂梁因振动而发生形变，其粘贴在悬臂梁上的压电陶瓷片亦会发生形变，而压电陶瓷发生形变则会产生电能，通过导线将所产生的电能输出并收集，即完成了对振动能量的转换与收集。该装置在X、Y、Z三个方向上均固定有按悬臂梁的固有频率的大小依次排列的悬臂梁，并通过永磁铁实现安装在水平梁上相邻的悬臂梁相互联动，同时还利用永磁铁实现安装在水平梁上的悬臂梁与安装在竖直梁上的悬臂梁相互联动。当有任意方向上的、任一振动频率的振动能量作用在该装置上时，因各悬臂梁之间的联动，则至少会引起安装两个方向上的所有压电悬臂梁产生电能，因此大幅提高了能量收集效率。本专利技术的优点是：该装置结构紧凑，空间利用率高，实用性强，可以高效的收集空间任意方向、频域较宽的振动能量。通过实现安装在水平梁上的不同固有频率的悬臂梁相互联动，不仅拓宽了装置对振动能量收集的频域范围，还提高了能量收集效率，同时，通过实现安装在水平梁上的悬臂梁与安装在竖直梁上的悬臂梁的相互联动，实现了收集多方向振动能量的目的，并进一步提高了装置的能量收集效率，尤其是大幅提高了竖直方向上振动能量的收集效率。此外，该装置将环境中的振动能量转换为电能，可以实现一些低功耗的元器件或设备长期供能，是一种无污染的清洁能源，具有一定的具有较大的研究及应用价值。附图说明图1为本专利技术的整体示意图;图2为本专利技术底座的结构示意图;图3为本专利技术某一水平梁与竖直梁所在平面上的结构示意简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷，S、N代表磁极方向）;图4为本专利技术竖直梁上的悬臂梁所受磁力作用简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷）;图5为本专利技术水平梁上的悬臂梁所受磁力作用简图（未画出悬臂梁上压电陶瓷）;图6为本专利技术能量收集具体原理流程图;图中，1-底座，1.1-水平梁，1.2-竖直梁，2-压电陶瓷片，3-永磁铁，4.1-水平梁上的悬臂梁，4.2-竖直梁上的悬臂梁。具体实施方式现结合附图详细说明本专利技术结构的实施方式：如附图2所示，底座由4根水平梁1.1和1根竖直梁1.2组成，截面形状皆为四边形，沿X和Y轴方向各有两根水平梁1.1，沿Z轴方向有一根竖直梁1.2，4根水平梁的横断面分别固定在竖直梁的四个侧面上，并且水平梁1.1的下表面与竖直梁1.2的下表面重合。如附图1、3所示，在每根水平梁1.1的上表面都均匀垂直分布有长度不一的悬臂梁4.1，竖直梁1.2的四个侧面上都均匀垂直分布有长度不一的悬臂梁4.2，其分布规律依据悬臂梁固有频率的高低依次排列，且每个悬臂梁固定端根部附近均粘贴有压电陶瓷片2，自由端均固定有一块永磁铁3，水平梁上1.1的悬臂梁4.1自由端的永磁铁3与对应竖直梁1.2上固有频率相同的悬臂梁4.2自由端的永磁铁3的同名磁极面两两正对，固定在水平梁1.1上的每相邻的两个悬臂梁4.2间有一对磁铁3，此对磁铁也是同名磁极面两两正对。各悬臂梁所受磁力方向如附图4、5所示，此处只考虑磁极面正对的两磁铁间磁力作用。结合附图1-2及附图6，本专利技术的振动能量原理具体如下：1.在没有外部激励作用时，各悬臂梁在磁力、重力以及各悬臂梁因发生弹性形变而产生的弹力作用下处于平衡状态。当装置受到沿X或Y方向的某一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，其中沿X、Y方向分布的4根水平梁的上表面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，沿Z轴方向的竖直梁的四个侧面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，并且竖直梁上的悬臂梁的安装位置与其他四根水平梁上固有频率相同的悬臂梁安装位置相对应，所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁，安装在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁的同名磁极面两两正对，安装在水平梁上每相邻的两个悬臂梁相对的面上相同高度位置处都固定有另一对同名磁极面两两正对的永磁铁。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置，其特征在于：包括底座、悬臂梁、压电陶瓷片、永磁铁，所述的底座由沿着空间直角坐标系X、Y、Z轴方向分布的4根水平梁和1根竖直梁组成，其中沿X、Y方向分布的4根水平梁的上表面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，沿Z轴方向的竖直梁的四个侧面均垂直安装着一组按固有频率的高低依次排列的悬臂梁，并且竖直梁上的悬臂梁的安装位置与其他四根水平梁上固有频率相同的悬臂梁安装位置相对应，所有悬臂梁的固支端根部都粘贴有压电陶瓷片，自由端都固定有永磁铁，安装在水平梁上的悬臂梁自由端的永磁铁与对应竖直梁上固有频率相同的悬臂梁自由端的永磁铁的同名磁极面两两正对，安装在水...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文光，吴兴意，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36