一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构

本发明涉及能量俘获技术领域，特别是涉及一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构。

背景技术：

随着微机电系统和无线电通讯技术的快速发展，各种无线传感器网络及其嵌入式系统不断趋于微型化，维系整个系统运行的能量消耗也在不断降低。从涉及人类健康问题的心脏起搏器到对珍稀动物的跟踪保护，以及国防问题中的军事安全系统，无线传感网络及其嵌入系统已经渗入到了人们生活中的方方面面。这些产品的应用和发展过程中，一直受制于供电问题。

传统的化学电池寿命有限，需要不定时的更换，在一些恶劣(危险区域等)和特殊环境(人体等生物体)中很难进行这些更换工作。在微能源技术的研究和发展过程中，压电振动能量俘获技术已经取得了稳定成熟的研究成果。由于其结构简单、能量密度高，在为无线传感器网络以及各种微小型电子设备的供电设计上具有很大的利用价值。

微型传感器需要在各种自然环境中进行工作(例如沙漠，河流，高山，海洋等)，在这些自然环境中想要持续高效的对这些微型传感器进行供能，流体能量俘获是其研究的重要环节。流体在流经结构时引发结构产生的振动即为流致振动，这种现象在自然环境和日常生活中随处可见。因此，小到风吹动的电线大到航天飞机等各式各样结构所造成的流致振动，既能为人类带来好处，也可能在工程应用中造成各种破坏性事故。

涡激振动是流致振动中的一种形式，具有持续性，易于激发的特点，在涡激振动中结构受到与来流方向垂直的周期性力，从而带动结构进行横向振动。涡激振动中存在“锁定”现象，当流体的漩涡脱落频率与结构的固有频率接近时，结构会产生较大幅度的振动，产生锁频现象，当继续提高风速时，结构的振动频率不变。由于结构阻尼的存在，结构的振动幅值不会无限增大，从而可以实现保护结构的功能。因此，将流致振动与压电能量俘获技术结合在一起可以有效的解决微机电系统等设备的供电问题。

因此，如何提供一种阵列式多稳态压电流致振动能量俘获结构，用于解决传统涡激振动能量俘获结构中“锁定”有效风速范围窄能量输出低的问题，推动微机电系统和可再生能源技术的快速发展，是本领域技术人员亟待解决的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，用于改变涡激振动的输出性能，有效的提高结构的能量输出。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，包括：

底座；

子结构，所述子结构为多个，所述子结构包括支架、悬臂梁、钝体、压电片、振动磁铁和固定磁铁，所述支架和所述固定磁铁安装于所述底座上，所述钝体的上端安装于所述悬臂梁上，所述悬臂梁安装于所述支架上，所述压电片安装于所述悬臂梁上，所述振动磁铁安装于所述钝体的下端，所述振动磁铁在水平方向上位于至少两个所述固定磁铁之间；

弹簧，所述弹簧的两端分别与相邻的两个所述子结构中的所述悬臂梁固定相连。

优选地，所述固定磁铁通过磁铁托架和磁铁托杆安装于所述底座上，所述磁铁托杆上设有用于安装所述固定磁铁的凹槽，所述磁铁托杆安装于所述磁铁托架上，所述磁铁托架可拆卸式安装于所述底座上，所述底座上设有多个所述磁铁托架的安装位，不同的安装位与所述振动磁铁的水平距离不同。

优选地，所述磁铁托杆包括托块和螺杆，所述凹槽位于所述托块的侧面，所述螺杆的一端固定于所述托块上且水平设置，所述螺杆与所述磁铁托架螺纹连接，所述磁铁托架上设有与所述螺杆对应的第一螺纹孔，所述磁铁托架通过紧固件可拆卸式安装于所述底座上，所述磁铁托架上设有与所述紧固件对应的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔竖直设置。

优选地，所述支架包括导轨、横杆和固定座，所述导轨垂直固定于所述底座上，所述横杆滑动连接于所述导轨上且能够沿上下方向滑动，所述固定座用于夹紧所述横杆与所述导轨，钝体的上端固定于所述悬臂梁的下端，所述悬臂梁的上端固定于所述横杆上。

优选地，所述压电片粘贴在所述悬臂梁的上部。

优选地，所述导轨和所述横杆为铝合金材质，所述悬臂梁和所述底座为不锈钢材质。

优选地，所述钝体的材质为泡沫塑料。

优选地，所述固定磁铁和所述振动磁铁均为钕铁硼磁铁。

优选地，所述压电片为pzt或mfc材质。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过引入非线性磁力和弹簧的多稳态特性，使得流固耦合和以及各个子结构之间结构耦合相互结合，从而实现扩大了流致振动结构工作风速区间和能量输出的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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他的附图。

图1为本实施例阵列式多稳态流致振动能量俘获结构的示意图；

图2为本实施例阵列式多稳态流致振动能量俘获结构的正视图；

图3为本实施例阵列式多稳态流致振动能量俘获结构的左视图；

图4为磁铁托架的结构示意图；

图5为磁铁托杆的结构示意图；

附图标记说明：100-阵列式多稳态流致振动能量俘获结构；1-横杆；2-钝体；3-底座；4-磁铁托杆；5-磁铁托架；6-固定磁铁；7-导轨；8-弹簧；9-振动磁铁；10-悬臂梁；11-压电片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构，用于改变涡激振动的输出性能，有效的提高结构的能量输出。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本实施例提供一种阵列式多稳态流致振动能量俘获结构100，包括底座3、子结构和弹簧8。

其中，底座3可以为整体式结构，也可以是拼接结构。子结构为多个，每个子结构包括支架、悬臂梁10、钝体2、压电片11、振动磁铁9和固定磁铁6。支架和固定磁铁6安装于底座3上，钝体2的上端安装于悬臂梁10上，悬臂梁10安装于支架上，压电片11安装于悬臂梁10上，振动磁铁9安装于钝体2的下端。振动磁铁9在水平方向上位于至少两个固定磁铁6之间，具体为振动磁铁9通过胶水粘贴于钝体2的两侧。弹簧8的两端分别与相邻的两个子结构中的悬臂梁10固定相连，从而组成阵列形式。

本实施例的阵列式多稳态流致振动能量俘获结构100的工作原理如下：当来流经过钝体2结构时，由于钝体2的非流线型，从而导致其产生周期性的旋涡脱落，从而使得结构受到与来流速度方向垂直的周期性气动力，从而诱发与钝体2相连的悬臂梁10发生横向振动，带动压电片11发生变形，从而实现了将流致振动能转化为电能。结构中由于非线性磁力的引入，悬臂梁10在各个稳定平衡点处的刚度不同，从而改变结构的“锁定”区间范围。子结构通过弹簧8连接，从而在运动中相互影响，从而实现了结构间的耦合作用，可以有效的提高流致振动结构的能量俘获风速区间和提高结构的能量输出。

固定磁铁6的安装方式有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本实施例中，固定磁铁6通过磁铁托架5和磁铁托杆4安装于底座3上。磁铁托杆4上设有用于安装固定磁铁6的凹槽，固定磁铁6粘附于该凹槽内。磁铁托杆4安装于磁铁托架5上，磁铁托架5可拆卸式安装于底座3上。底座3上设有多个磁铁托架5的安装位，不同的安装位与振动磁铁9的水平距离不同，通过调整磁铁托架5所在的安装位，可以调整振动磁铁9与固定磁铁6在水平方向的距离。

本实施例中，磁铁托杆4包括托块和螺杆。凹槽位于托块的侧面，螺杆的一端固定于托块上且水平设置。螺杆与磁铁托架5螺纹连接，磁铁托架5上设有与螺杆对应的第一螺纹孔。磁铁托架5通过紧固件可拆卸式安装于底座3上，磁铁托架5上设有与紧固件对应的第二螺纹孔，第二螺纹孔竖直设置。通过以螺杆为中心对磁铁托杆4进行旋转，可以调整振动磁铁9与固定磁铁6的相对角度。

本实施例中，支架包括导轨7、横杆1、固定座和悬臂梁10。导轨7垂直固定于底座3上，横杆1滑动连接于导轨7上且能够沿上下方向滑动，固定座用于夹紧横杆1与导轨7，钝体2的上端固定于悬臂梁10的下端，悬臂梁10的上端固定于横杆1上。通过改变横杆1在导轨7上的竖直高度，可以调整振动磁铁9与固定磁铁6在竖直方向的距离。

通过上述对固定磁铁6和振动磁铁9的相对位置和角度的调节，可以实现对多稳态特征进行调整，从而可以获得单稳态，双稳态，三稳态等结构。另外，通过增加振动磁铁9两侧的固定磁铁6的数目，可以增加结构的稳态数目。

进一步的，本实施例中压电片11粘贴在悬臂梁10的上部，压电片11优选为pzt或mfc材质。当悬臂梁10发生结构变形时会带动压电片11也发生形变，由于压电材料的正压电效应，从而将机械能转化为电能，实现了能量俘获的目的。导轨7和横杆1为铝合金材质，悬臂梁10和底座3为不锈钢材质。钝体2的材质优选为轻质硬泡沫材质或其它轻质材质，粘贴于悬臂梁10的下端，其易于诱发涡激、驰振等由流体引起结构的自激振动。固定磁铁6和振动磁铁9均为钕铁硼磁铁。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。