本发明专利技术公开一种准零刚度机构及其振动能量收集器，涉及振动能量收集技术领域，准零刚度机构包括底板以及分别竖向安装在所述底板上的两组片弹簧组件和一组倒立摆组件，两组所述片弹簧组件呈直角分布在以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的同一圆周轨迹上，所述片弹簧组件包括片弹簧，所述片弹簧所在平面相切于以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的圆周轨迹，所述倒立摆组件的摆动端与所述片弹簧的自由端之间通过柔性组件连接，所述倒立摆组件的摆动端用于连接换能器。本发明专利技术准零刚度机构利用片弹簧组件和倒立摆组件组合而成，经柔性组件连接达到刚度近零的特点，结构稳定性较佳，能够实现稳定的低频或超低频条件下多个方向的能量的收集。的能量的收集。的能量的收集。
【技术实现步骤摘要】
一种准零刚度机构及其振动能量收集器
[0001]本专利技术涉及振动能量收集
，特别是涉及一种准零刚度机构及其振动能量收集器。
技术介绍
[0002]近年来随着无线传感器、无线通信网络、通信节点以及微机电系统的发展，能源消耗带来的供能问题日益突出。目前这些装备多采用电池、外接线缆供电，存在电池寿命有限，更换困难，更换成本高，污染环境以及在野外环境中无法架设外接线缆等突出缺点。因此，利用外部环境中的清洁能源如太阳能，风能，热能和振动能为这些系统供能已成为改善能源问题的重要手段。
[0003]振动能量是环境中普遍存在的一种能量形式，包括机械振动，人体运动，风致振动和流体振动等，对振动能量进行采集，转换为人类可用的能量有着广泛的前景。目前大部分振动能量收集装置的响应频率范围集中在数十赫兹且只能对特定方向的振动能量进行采集，而对于如风、波浪、人体运动等大多来自于多个方向，频率常常低于10Hz的振动源就需要一种能从这种低频或超低频环境中尽可能多的收集多个方向能量的能量收集装置。
[0004]对于能量收集装置，要想在多方向的超低频环境中获取能量，就需要准零刚度多自由度机构，准零刚度机构可以进一步降低装置的固有频率，使装置的刚度近零达到超低频率，多自由度机构可以实现多个方向的能量收集。
[0005]申请公布号为CN113746370A的中国专利公开了一种超低频多方向压电振动能量收集器。其在能量收集装置壳体内壁的四周设置若干压电悬臂梁，质量球在若干压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动，当球体滚动到某片压电悬臂梁时，会对压电片施加垂向的压力使其产生正压电效应输出电压完成能量收集。采用这样的布置形式能够在低频或超低频条件下实现多个方向的能量收集。但是由于其激励对象是球形质量块，在沿纵向振动的环境中存在激振质量块与换能部件分离的情况，因此换能稳定性欠佳，功率密度也就得不到保证。
[0006]申请公布号为CN103684048A的中国专利公开了一种层合磁电式宽频三维振动能量采集器及其弹性机构，采用三爪式弧形弹性梁与层合磁电式换能器(MagnetoelectricTransducer，简称ME换能器)对三个方向的振动能量进行收集，三爪式弧形弹性梁水平布置，其上设置有质量块，质量块和左侧支架上分别设有磁铁，ME换能器设置在左侧磁铁右侧。当受到环境振动激励时，质量块带动可动磁铁在其径向平面和轴向方向进行三自由度运动，ME换能器在变化的磁场中伸缩变形产生电压信号输出。弹性梁的布置扩展了振动能量收集器对外部振动激励的响应范围，提高了能量的采集效率。这种布置形式改进了以球形质量体滚压单悬臂进行换能的稳定性，并且因为悬臂是弧段和直段组成，一定程度上拓宽了能量收集的频带范围，但是由于装置本身结构限制和并联式悬臂结构的刚度较大，这类能量收集装置没有解决超低频环境的应用特点。
[0007]申请公布号为CN113394941A的中国专利公开了一种电磁
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压电混合式双效准零刚
度振动俘能装置，采用电磁—压电复合式俘能与准零刚度隔振为一体的布置形式。隔振部分采用由双效负刚度和正刚度并联构成的准零刚度隔振器，双效负刚度机构是由欧拉梁和永磁负刚度构成的，正刚度是由弹簧提供的。当正刚度值稍大于负刚度值时就达到近零刚度，构成准零刚度机构，其中永磁负刚度机构设置在欧拉梁下方，永磁负刚度的动磁铁设置在装有弹簧的轴上，固定磁铁架设在内框架内壁上，欧拉梁设置在外框架上方。俘能部分由电磁式和压电式换能组件构成，压电片粘在欧拉梁上，电磁式换能器的磁铁串联在轴上，线圈设在内框架内壁上。当轴上方的质量块受到振动激励时，隔振机构完成振动隔离，俘能机构通过压电片正压电效应和电磁线圈收集能量。以此实现了隔振与复合能量收集于一体的结构布局。但是，该方案将欧拉梁作为主要负刚度部件，其弯曲形状不可改变，径向尺寸大，形变后存在失效可能，失效后整个准零刚度系统的固有频率就发生改变，造成与目标环境的振动频率无法匹配，即能量收集装置失效的问题。此外，由于永磁负刚度被设置在轴向，所以只能实现对轴向方向的能量提取，无法实现多自由度的能量收集。
[0008]综上，如何实现多自由度、超低频的振动能量收集装置是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的是提供一种准零刚度机构及其振动能量收集器，以解决上述现有技术存在的问题，利用片弹簧组件和倒立摆组件组合而成，经柔性组件连接达到刚度近零的特点，结构稳定性较佳，能够实现稳定的低频或超低频条件下多个方向的能量的收集。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]本专利技术提供一种准零刚度机构，包括底板以及分别竖向安装在所述底板上的两组片弹簧组件和一组倒立摆组件，两组所述片弹簧组件呈直角分布在以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的同一圆周轨迹上，所述片弹簧组件包括片弹簧，所述片弹簧所在平面相切于以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的圆周轨迹，所述倒立摆组件的摆动端与所述片弹簧的自由端之间通过柔性组件连接，所述倒立摆组件的摆动端用于连接换能器。
[0012]优选地，所述片弹簧组件包括上支座和下支座，所述上支座和所述下支座分别固定在一对平行的所述片弹簧的两端，所述上支座与所述柔性组件连接，所述下支座与所述底板连接。
[0013]优选地，所述片弹簧组件包括固定安装在所述底板上的调谐滑槽架以及滑动安装在所述调谐滑槽架上的频率调谐夹，所述频率调谐夹用于夹持所述片弹簧。
[0014]优选地，所述倒立摆组件包括摆杆、安装在所述摆杆底部的第一衬套以及套设在所述第一衬套外径侧的向心关节轴承，所述向心关节轴承安装在所述底板上。
[0015]优选地，所述柔性组件包括柔性块和柔性铰链，所述柔性块套设在所述摆杆顶部，所述柔性铰链的一端连接在所述柔性块上，另一端连接在所述上支座上，所述柔性铰链包括相互连接的竖直段和水平段，所述水平段靠近所述柔性块，所述竖直段靠近所述上支座。
[0016]优选地，所述柔性块包括相互垂直连接的第一摆动段和第二摆动段，所述第一摆动段的摆动平面和所述第二摆动段的摆动平面分别重合于两所述柔性铰链的竖直段所在平面，所述第一摆动段用于连接换能器，所述第二摆动段用于连接所述柔性铰链。
[0017]优选地，所述柔性块为圆柱型结构，所述第一摆动段和所述第二摆动段通过在所述圆柱型结构的基础上进行加工获得，所述第一摆动段的外侧和所述第二摆动段的外侧还
设置有支撑体。
[0018]本专利技术还提供一种振动能量收集器，包括如前文记载的所述的准零刚度机构以及换能器，所述换能器包括固定部和振动部，所述固定部包括第一磁极和磁电换能结构，所述振动部包括第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极同轴设置，且磁极布置方式一致，分别包括内外套设的轴向极性相反的永磁体，所述第一磁极和所述第二磁极之间环向设置有若干所述磁电换能结构，所述倒立摆组件的摆动端连接所述第二磁极。
[0019]优选地，所述磁电换能结构包括压电材料层和位于所述压电材料层两面的磁致伸缩材料层本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种准零刚度机构，其特征在于：包括底板以及分别竖向安装在所述底板上的两组片弹簧组件和一组倒立摆组件，两组所述片弹簧组件呈直角分布在以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的同一圆周轨迹上，所述片弹簧组件包括片弹簧，所述片弹簧所在平面相切于以所述倒立摆组件的摆动中心为圆心的圆周轨迹，所述倒立摆组件的摆动端与所述片弹簧的自由端之间通过柔性组件连接，所述倒立摆组件的摆动端用于连接换能器。2.根据权利要求1所述的准零刚度机构，其特征在于：所述片弹簧组件包括上支座和下支座，所述上支座和所述下支座分别固定在一对平行的所述片弹簧的两端，所述上支座与所述柔性组件连接，所述下支座与所述底板连接。3.根据权利要求2所述的准零刚度机构，其特征在于：所述片弹簧组件包括固定安装在所述底板上的调谐滑槽架以及滑动安装在所述调谐滑槽架上的频率调谐夹，所述频率调谐夹用于夹持所述片弹簧。4.根据权利要求2或3所述的准零刚度机构，其特征在于：所述倒立摆组件包括摆杆、安装在所述摆杆底部的第一衬套以及套设在所述第一衬套外径侧的向心关节轴承，所述向心关节轴承安装在所述底板上。5.根据权利要求4所述的准零刚度机构，其特征在于：所述柔性组件包括柔性块和柔性铰链，所述柔性块套设在所述摆杆顶部，所述柔性铰链的一端连接在所述柔性块上，另一端连接在所述上支座上，所述柔性铰链包括相互连接的竖直段和水平段，...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒲华燕，张博洋，丁基恒，罗均，王敏，孙翊，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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