一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于能量收集设备领域，并公开了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组；磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在磁铁固定机座上，磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。本发明专利技术可以在微弱振动的环境下依然可以得到很高的能量，提高了能量收集的效率。通过调节磁铁之间的相对距离，可以调节能量收集效率以及工作频率的范围。

Cantilever beam type negative stiffness piezoelectric vibration energy collecting device

The invention belongs to the field of energy collection equipment, and discloses a cantilever beam type negative stiffness piezoelectric vibration energy collection device, including a base, a vertical frame, a magnet fixed frame, a piezo clamp block, a magnet fixed block, a piezoelectric piece and a magnet group, and a magnet group including a magnet A and a magnet B, and the magnet A and magnet B are arranged up and down. On the magnet fixed seat, the magnet A is mounted on the magnet fixed frame and fixed on one end of the piezoelectric patch on the A. The other end of the piezo piece is fixed on the piezo clamp block, and the magnet B is mounted on the magnet fixed block, and the magnet fixed block is mounted on the magnet solid. On the fixed base, the opposite side of the magnet A and the magnet B is a synonymous magnetic pole. The invention can still obtain very high energy under weak vibration environment and improve the efficiency of energy collection. By adjusting the relative distance between the magnets, the efficiency of energy collection and the range of working frequency can be adjusted.

【技术实现步骤摘要】
一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置
本专利技术属于能量收集设备领域，更具体地，涉及一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置。
技术介绍
随着传感网络硬件的发展，将网络嵌入各种航空，民用和机械基础设施的方法在经济上和技术上都成为可能。但是，在系统需要电缆去获得传统能源或电池需要不时更换的情况下，“嵌入式”传感的概念并不能完全实现。因此需要收集和储存能量使得这些嵌入式系统能够尽可能的自动化。虽然现在大尺度上太阳能和风能作为能量采集已经是成熟的技术，但在小尺度，低能量，嵌入式传感系统中的能量采集发展，仍处于发展阶段。因此基于热电效应，光伏效应，压电效应，电磁效应等原理，利用电子元器件从工作环境中的温度梯度，光照，机械振动中获取能量，从而转换为电能的能量采集技术应运而生。能量收集技术是一种利用能量收集器从其周边环境中获取能量的技术,也因此被称为新型环境能量釆集技术。本质上是利用机械运动来产生电能。其中,机械运动能包括风能、振动能、旋转动能、以及其他能量如人体动能等。能量收集器能够利用各种不同的压电材料,将环境中的能量进行转化,以电能的形式进行储存和利用。能量收集器工作时无需消耗任何能量,具有再利用、无污染的优点,应用领域包括交通、海洋、微机电系统、微小型电子设备等。尤其是20世纪90年代末以来,在日常生活中,经常要用到尺寸介于微米和毫米之间的微型器件,例如汽车安全气囊系统的加速计和喷墨打印机的微喷嘴等各种无线传感器和MEMS器件,利用锂电池供电已经无法满足这类微型器件的使用要求，这就促使能量收集器得到越来越多的重视。在众多可釆集的能量当中,振动能或运动能是一种最为普遍，也是人人都能轻易接触到的能量,比如土木工程中的高楼，桥梁，铁路等,又比如人体中肢体运动、血液流动、心脏跳动等生命过程中,且有着较高的能量密度。对振动能进行收集将在无线网络、嵌入式系统、低能耗设备等方面的有着非常广泛的应用，而传统的线性能量收集器的工作频率范围较窄，能量采集效率不高，难以满足一些场合下的使用要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，通过磁铁之间引力的作用，增大压电片的振动幅度，并且使得振动进入非线性阶段，从而提高了收集的能量并且拓宽了工作频率范围。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组，其中，所述竖向机座和所述磁铁固定机座均竖直安装在所述底座上；所述压电片夹紧块和所述磁铁固定块分别安装在所述竖向机座和所述磁铁固定机座上；所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在所述磁铁固定机座上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。优选地，所述竖向机座由不锈钢制成。优选地，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。优选地，所述磁铁固定机座上竖直设置有长条孔，所述磁铁固定块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述磁铁固定块上的螺栓孔后将所述磁铁固定块固定在所述磁铁固定机座上。优选地，所述磁铁组还包括磁铁C，所述磁铁C、磁铁B和磁铁A依次从下往上设置，并且磁铁C和磁铁B相对的一侧为异名磁极。优选地，所述压电片是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。优选地，所述磁铁组为强磁铁组。优选地，所述磁铁B上下位置可调整地安装在所述磁铁固定机座上。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1)本专利技术可以根据需求改变压电片的尺寸与型号，可更换刚度与质量各不相同的压电片。通过改变刚度比和质量比会改变压电片的振动幅度，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。2)本专利技术可以根据需求改变磁铁的质量和磁场强度，可以更换质量和磁场强度不同的磁铁，通过改变质量比以及引力大小，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。3)夹紧块以及磁铁固定块是可以上下移动的，所以可以调节磁铁之间的距离，也就是可以调节磁场强度来改变引力的大小。引力的改变会使得压电片振动幅度的改变，从而影响悬臂式负刚度振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。附图说明图1是本专利技术的立体示意图；图2是本专利技术的主视图；图3是本专利技术与常规线性振动能量收集装置的扫频下电容电压的对比曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。参照图1～图3，一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，包括底座2、竖向机座1、磁铁固定机座5、压电片夹紧块3、磁铁固定块6、压电片4和磁铁组，其中，所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5均竖直安装在所述底座2上；所述压电片夹紧块3和所述磁铁固定块6分别安装在所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5上；所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B7，所述磁铁A和磁铁B7上下布置在所述磁铁固定机座5上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座5上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片4的一端，所述压电片4的另一端固定安装在所述压电片夹紧块3上，所述磁铁B7安装在所述磁铁固定块6上，所述磁铁固定块6安装在所述磁铁固定机座5上，所述磁铁A和磁铁B7相对的一侧为异名磁极。上下的相吸磁铁会产生一个吸力，从而对悬臂梁的悬臂端施加了一个与运动方向相同的力，即等效为设置了一个负刚度的弹簧。从而，本专利技术的能量收集装置具有负刚度效应。这种负刚度效应会放大压电片4的振幅，即可以放大环境的微小振动，使得振动进入非线性阶段；并且由于是非线性振动系统，因此本专利技术可以在微弱振动的环境下依然可以得到较高的能量，提高了能量收集的效率。进一步，所述竖向机座1由不锈钢制成。进一步，所述竖向机座1上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块3上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块3上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块3固定在所述竖向机座1上。进一步，所述磁铁固定机座5上竖直设置有长条孔，所述磁铁固定块6上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述磁铁固定块6上的螺栓孔后将所述磁铁固定块6固定在所述磁铁固定机座5上。磁铁固定机座5有两根竖向带缝的不锈钢柱，每个不锈钢柱上均设置有长条孔。所述的磁铁固定块6可以在磁铁固定机座5内任意地上下移动。并且竖向机座1以及磁铁固定机座5都有刻度尺贴在侧边，方便控制移动的变量。进一步，所述竖向机座1和所述磁铁固定机座5上分别竖直设置有刻度尺，目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组，其中，所述竖向机座和所述磁铁固定机座均竖直安装在所述底座上；所述压电片夹紧块和所述磁铁固定块分别安装在所述竖向机座和所述磁铁固定机座上；所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在所述磁铁固定机座上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、竖向机座、磁铁固定机座、压电片夹紧块、磁铁固定块、压电片和磁铁组，其中，所述竖向机座和所述磁铁固定机座均竖直安装在所述底座上；所述压电片夹紧块和所述磁铁固定块分别安装在所述竖向机座和所述磁铁固定机座上；所述磁铁组包括磁铁A和磁铁B，所述磁铁A和磁铁B上下布置在所述磁铁固定机座上并且它们相互平行，其中，所述磁铁A安装在所述磁铁固定机座上，并且该磁铁A上固定安装所述压电片的一端，所述压电片的另一端固定安装在所述压电片夹紧块上，所述磁铁B安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述磁铁固定机座上，所述磁铁A和磁铁B相对的一侧为异名磁极。2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座由不锈钢制成。3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式负刚度压电振...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文爱，黄之昊，朱宏平，袁涌，胡宇航，罗辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42