一种低频多方向振动能量回收装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过折叠弹性梁与外框架相连接，折叠弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁，折叠弹性梁的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。所述装置可以应用于各种大型机械机座或者振动元件、汽车引擎、搅拌机、洗衣机以及各种微结构中的低频振动能量回收。可以为各种便携式设备、无线传感器及微机电系统提供电力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于共振能量回收装置
，涉及一种低频多方向振动能量回收装置。
技术介绍
能量回收是指获取外界能量并将其转换为可利用电能的过程。在过去十年中，随着便携式设备、无线传感器及微机电系统(MEMS)的快速发展，具有能量回收能力的材料和结构得到了广泛的关注和研究。对于这些需要自供电的装置，从周围环境的振动中回收能量无疑是一种最方便最具有潜力的方式。目前，美国、日本、荷兰、英国等国家已经开始了对清洁、可靠、廉价的微能源装置的研究，并着手研制基于压电原理的微型能源装置，为这些系统提供能量。目前振动能量回收技术研究主要有三种方式静电式(electrostatic)、电磁式 (electromagnetic)和压电式(piezoelectric),其中压电式能量回收装置是近十年的研究热点，因为压电材料能将外界振动能量直接转变为可利用的电能，而且结构简单易于整合到系统之中。 压电式能量回收装置主要利用压电材料的压电效应，即压电材料在外力作用下变形并产生电荷，将机械能转化为电能。当发生共振时，压电材料就有最大的变形，就能产生可观的能量输出。这方面已经有大量的学者研究过，目前主要的形式有压电悬臂梁结构、 压电圆盘结构、钹式压电结构、压电螺旋结构等。不同构型的压电能量回收装置包括单层、 双层压电悬臂梁，推拉直压式结构，膜片式结构，管状、辐射状结构，以及钹式压电结构。通过调节结构的尺寸来改变其固有频率，以与环境振动的频率一致。一般在结构的端部添加质量较大的质量块来降低结构的共振频率。早在1996年，英国科学家Williams和Yates提出了“在振动环境中嵌入压电陶瓷来进行能量采集”的方案。此自供电装置在70Hz的振动频率下产生I μ W的电能，在330Hz 的情况下能产生O. ImW的电能。该实验表明，压电陶瓷作为将机械能转化为电能的媒介，在低频范围的能量转化效率有待提高。虽然随后十几年，人们设计了各种各样的结构来进行机械振动能量的回收，以期得到一些有价值的应用。但是目前这些装置的设计原则大多仍依赖于一种过于简单的物理模型。例如，参照广泛使用的单自由度“弹簧-质量”系统模型，通过改变材料和结构几何参数，将能量回收装置调谐到一个特定的共振频率上，以期得到较大的能量转换效率。然而应用这种简单的单自由度“质量-弹簧”系统或者悬臂梁结构进行研究和试验具有很大的局限性，离工程实际应用差距很大。因为在实际中，环境振动的能量并非分布于单一频率上， 而是具有一定的频宽，绝大多数振动源的频率分布在50 250Hz之间。最近，对于宽频带和可调频振动能量回收装置的研究也受到了越来越多的关注。 Shahruz等设计的被动式能量捕获装置是将多个不同固有频率的悬臂梁连接在公共底座上组成。通过适当选择每个悬臂梁的长度和末端质量，可以使装置在宽的频率范围内发生共振。Marinkovic等也提出了一种宽频带的压电能量回收结构。然而这样的两种结构都使得装置的尺寸和成本显著增加，不利于结构的微型化。对于这些传统的压电能量回收装置，要满足环境振动能量回收的低频和宽频带要求，势必要增大结构的尺寸和和成本，很难应用于自供电微系统。更重要的是这些传统压电能量回收装置只对一个方向上的振动起作用，对于其他方向的振动，没有任何电能输出。声子晶体是一种具有周期结构的新型功能材料，由于其良好的振动和滤波特性， 引起了国内外极大的关注。声子晶体能够利用波的基本特性(如散射、干涉)和结构的局域共振特性，在某些频带范围形成完全禁带，阻止这些频带的波在结构中向各个方向的传播。 也因此声子晶体分为两种=Bragg散射型声子晶体和局域共振型声子晶体。对于Bragg散射型声子晶体，适当地引入点缺陷或线缺陷，就可以在结构中形成高Q值得共振腔或者波导， 它的这一特性使其具有应用于各种各样的器件和装置中的潜在优势。最近两年，用声子晶体作为回收环境振动能量也受到了人们的关注和研究。但有三个较大的缺点一是结构庞大，这样的结构的共振频率要想达到50 250Hz的低频阶段， 其结构的一个周期就需达到O. 7米以上，离实际应用相差甚远；二是单频，对于已经确定的声子晶体结构，引入的缺陷也只能在单一频率处产生共振形成共振腔；三是设计难度，针对一个频率下的共振，需要设计具有同样共振频率的压电片与其匹配。对于多功能能量回收装置，仍然采用的是悬臂梁结构，由于结构限制，其共振频率难以降至低频。 刘正猷于2000年在Science上首次提出局域共振型声子晶体的概念，并利用较小尺寸的结构获得了低频带隙。他们用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，进行了相应的实验。理论和实验都证实这一单元特征长度为2cm的结构具有400Hz左右的低频带隙，比同样尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。 这种结构的最大优势是它的低频特性，但仍然离实际应用有些差距。这一装置的缺点是压电材料难以植入到软橡胶包覆层中，即使采用新型压电材料充当包覆层，由于固体中振动量大小的限制，其能量回收的效率很低。综上所述，对于回收环境中分布于50 250Hz频段的低频振动能量，现有的回收装置，要么达不到环境振动能量回收的低频要求；要么能达到低频要求但是结构很大不利于装置的微型化；要么装置只对单一频率或者较窄的频带有效；要么不具有多方向回收功能；要么设计上存在一定的难度，或者回收效率较低。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种低频多方向振动能量回收装置，该装置能够满足低频、多方向的要求，并进一步提供全方向、宽频的优化方案，可应用于各种大型机械机座或者各种微结构中的低频振动能量回收。本专利技术是通过以下技术方案来实现一种低频多方向振动能量回收装置，包括质量块和外框架，质量块位于外框架之内，质量块通过折叠弹性梁与外框架相连接，折叠弹性梁上设有压电片；质量块的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁，折叠弹性梁的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。所述的质量块和外框架均为方形的，质量块位于外框架的中心，质量块的每一边上均通过一条折叠弹性梁与外框架的一边相连接，折叠弹性梁由外向内逐层折叠呈锥形。所述的折叠弹性梁的有效刚度由折叠弹性梁的厚度和折叠次数来调节；能量回收装置的共振频率和共振带隙由质量块的材料和折叠弹性梁的材料来调节。所述的压电片为压电陶瓷片，贴在折叠弹性梁应变最大处的表面。所述的质量块的高度和折叠弹性梁的高度均可调。所述的压电片贴在折叠弹性梁的水平表面和垂直表面上。所述的外框架内包括多个质量块，一个质量块与其相连接的折叠弹性梁构成一个单元，每个质量块位于一个单元的中心，所有单元的折叠弹性梁的折叠方式相同；相邻的单元通过折叠弹性梁相互连接而串联，与外框架相邻的折叠弹 性梁与外框架相连接。所述的多个质量块的质量相同或不同，折叠弹性梁的厚度、宽度相同或不同。所述的质量块为四个或多个。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果本专利技术提供的低频多方向振动能量回收装置，通过质量块和折叠弹性梁的折叠设计首先解决了低频多方向的问题。根据局域共振结构的局域化作用，当振动以波的形式在结构中传播时，由于共振单元与基体行波的耦合作用，振动能量不断被共振单元所局限，在弹性层的势能和质量块的动能之间相互转化。将压电材料植入变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，包括质量块(I)和外框架(3)，质量块(I)位于外框架(3)之内，质量块(I)通过折叠弹性梁(2)与外框架(3)相连接，折叠弹性梁(2)上设有压电片；质量块(I)的四周均设有折叠方式相同的折叠弹性梁(2)，折叠弹性梁(2)的折叠方式为由外向内逐层折叠并且折叠长度逐层递减。2.如权利要求I所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的质量块(I)和外框架(3)均为方形的，质量块(I)位于外框架(3)的中心，质量块(I)的每一边上均通过一条折叠弹性梁(2 )与外框架(3 )的一边相连接，折叠弹性梁(2 )由外向内逐层折叠呈锥形。3.如权利要求I所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所述的折叠弹性梁(3)的有效刚度由折叠弹性梁的厚度和折叠次数来调节；能量回收装置的共振频率和共振带隙由质量块(I)的材料和折叠弹性梁(3)的材料来调节。4.如权利要求I所述的低频多方向振动能量回收装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，张思文，沈礼，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：