多向磁拉式双稳态振动能量俘获器的制作方法

本发明涉及的是一种能量转换领域的技术，具体是一种多向磁拉式双稳态振动能量俘获器。

背景技术：

能量俘获器可以从振动环境中俘获能量，采用线性系统的能量俘获器其在较窄固有频率中振幅较大，不能适用于频率分布广泛的环境振动；采用非线性系统的能量俘获器具有较宽的谐振频宽。现有的能量俘获器通常通过贴在悬臂梁上的单层或双层压电片将将振动能量转换为电能，只能在一个方向上俘获能量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术大多通过阵列方式增加俘获能量的方向，占用空间大，能量密度低，俘能效率低且工作频带较窄的缺陷，提出一种多向磁拉式双稳态振动能量俘获器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：细长圆梁、底端开口的基套、基板和势能阱调节螺杆，其中：基板设置于基套开口处并封闭开口，势能阱调节螺杆穿设于基板中心且位于基套内的一端设有势能阱调节磁铁，细长圆梁设置于基套内且一端固定于基套顶端端面中心，细长圆梁的另一端设有磁振子，与基套相连的基板面上设有伸张型换能器，换能器的与磁振子相对侧设有磁定子。

所述的势能阱调节磁铁的磁感应强度与其体积的乘积小于四分之一磁定子的磁感应强度与其体积的乘积。

所述的换能器包括压电层和两层弹性金属层，压电层设置于两层弹性金属层之间。

所述的换能器为一圆盘形换能器，圆盘形换能器设置于基板中心处，与其相连的磁定子为圆环形永磁铁，换能器中心设有通孔。

所述的圆盘形换能器设有若干径向切缝，径向切缝周向均匀分布。

所述的换能器为若干矩形换能器，环布于基板中心处。

所述的磁定子为圆柱形永磁体。

所述的基套为圆柱形，基板为圆形。

所述的基套为方柱形，基板为方形。

技术效果

与现有技术相比，本发明结构简单，对称磁吸引力使本发明成为具有磁力干预作用的双稳态非线性系统，具有更宽的工作频宽，在微弱振动环境下等效压电系数被放大数百倍，转换产生更多电能。磁力干预作用，即当振动位移较小，磁力与位移方向相同，促使位移增加；当振动位移大于一定值，磁力与位移方向相反，促使位移减小。磁力干预作用促使振动位移处于机电耦合系数比较高的区域，使更多振动能量被转换为电能,。在激励峰值加速度小于0.5g、5～25Hz扫频试验中，利用对称磁吸引力的双稳态系统比利用单个磁排斥力的双稳态系统，工作频带增加了约80％，在小于10Hz的低频振动激励下能够有效俘获能量，而且随着振动激励增强，俘获的能量增加的更多，当激励峰值加速度为0.6g，具有磁力干预作用的非线性双稳态系统工作频带约为一般双稳态系统工作频带的300％。同时，试验也验证了等效压电系数被放大了134倍。

附图说明

图1为实施例1中能量俘获器结构示意图；

图2为实施例1中能量俘获器组装示意图；

图3为实施例1中能量俘获器A处放大示意图；

图4为圆盘形换能器平面图；

图5为圆盘形换能器剖视图；

图6为实施例1中能量俘获器功能原理图；

图7为实施例2中能量俘获器结构示意图；

图8为实施例2中矩形换能器摆放示意图；

图中：1细长圆梁、2基套、3磁振子、4磁定子、5圆盘形换能器、6基板、7势能阱调节螺杆、8势能阱调节磁铁、9弹性金属层、10压电层、11矩形换能器。

具体实施方式

如图1～2所示，本实施例包括：细长圆梁1、底端开口的基套2、基板6和势能阱调节螺杆7，其中：基板6设置于基套2开口处并封闭开口，势能阱调节螺杆7穿设于基板6中心处且位于基套2内的一端设有势能阱调节磁铁8，细长圆梁1一端设置于基套2内的顶端中心处，细长圆梁1的另一端设有磁振子3，与基套2相连的基板6面上设有伸张型换能器，换能器的与磁振子3相对侧设有磁定子4。

所述的基套2为圆柱形，该基套2的底端为圆形开口。基板6也为圆形封盖于基套2的底端开口处。

如图3所示，所述的换能器为一圆盘形换能器5，设置于基板6中心处，与其相连的磁定子4为圆环形永磁铁，圆盘形换能器5中心处设有通孔。该换能器包括压电层10和两层弹性金属层9，压电层10设置于两层弹性金属层9之间。

所述的磁振子3和势能阱调节磁铁8都为圆柱形永磁铁，磁振子3自由端为S极，而势能阱调节磁铁8和磁定子4与磁振子3相对端都为N极。势能阱调节磁铁8的磁感应强度与其体积的乘积小于四分之一磁定子4的磁感应强度与其体积的乘积。

如图4～5所示，所述的圆盘形换能器5设有若干径向切缝，径向切缝周向均匀分布。

如图6所示，环境中某一个方向的振动或多方向的振动耦合可以分解为空间坐标系x、y和z方向的振动。当基套2受到等效x、y方向的激励时，细长圆梁1和末端的磁振子3构成的振动系统受迫振动，末端磁振子3产生位移，末端磁振子3与磁定子4之间的距离发生变化，磁铁之间的距离变化导致磁力的变化，从而对圆盘形换能器5产生周期性磁力激励，磁力被伸张结构放大和传递到压电层10，压电层10变形从而压电效应发电，产生的电压经过电路处理后直接使用或存储备用。当基套2受到等效z方向的激励时，细长圆梁1和末端磁振子3构成的振动系统参数发生变化，磁振子3发生参激振动，末端磁振子3产生位移，从而产生周期性磁力激励伸张型换能器。当在激励比较弱的环境中工作，可以通过势能阱调节螺杆7减小势能阱深度，即增加磁振子3与势能阱调节磁铁8之间的磁吸引力，中和更多磁定子4与磁振子3之间的磁吸引力，减少磁振子3从一个稳态跳到另一个稳态所需要的能量，从而有利于在低频微弱振动环境中俘获能量。当在激励比较强的环境中工作，则可以进行相反的操作。

与现有技术相比，本装置结构简单，对称磁吸引力使系统成为具有磁力干预作用的双稳态非线性系统，具有更宽的工作频宽，在小于0.5g的微弱振动环境下工作频带提高了约80％，在0.6g峰值加速度下，工作频带增加了200％，等效压电系数被放大了134倍。

实施例2

如图7～8所示，本实施例包括：细长圆梁1、底端开口的基套2、基板6和势能阱调节螺杆7，其中：基板6设置于基套2开口处并封闭开口，势能阱调节螺杆7穿设于基板6中心处且位于基套2内的一端设有势能阱调节磁铁8，细长圆梁1一端设置于基套2内的顶端中心处，细长圆梁1的另一端设有磁振子3，与基套2相连的基板6面上设有若干伸张型换能器，换能器的与磁振子3相对侧设有磁定子4。

本实施例与实施例1相比的不同之处在于：所述的基套2为方柱形，基板6也为方形。所述的伸张型换能器为四个矩形换能器11，四个矩形换能器11环布于势能阱调节螺杆7的四周。该矩形换能器11的弹性金属层9和压电层10都为矩形。该矩形换能器11长度方向平行或垂直于势能阱调节螺杆7的径向方向。磁定子4为圆柱形永磁铁。

与实施例1相比，本实施例进一步的技术效果在于：方柱形适合放置，矩形换能器更容易加工，装配更加灵活。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。