一种碰撞升频式双稳态压电俘能器及其俘能方法与流程

本发明涉及能量收集装置及能量收集方法，具体涉及收集人体摆动能的碰撞升频式双稳态压电俘能器及其俘能方法。

背景技术：

近几年，便携式电子设备、微机电系统和无线传感器网络在民用、军事、医疗和工业生产中得到广泛应用。尤其是在民用方面，基本贯穿了大多数人的日常生活。目前大多数微电子产品供能源都还是传统的电池，这也迫使使用者必须定期给设备充电。其实人体运动时存在大量的运动能，比如身体的摆动，可以将这些摆动能用振动俘能器收集起来，转化为设备所需的电能。压电材料因自身的机电耦合系数高，可达到较高的能量转换效率，因此，广泛用于振动能量收集。但因人体运动频率低，常规压电俘能器固有频率高，俘能频带窄，导致输出功率低下。

技术实现要素：

本发明的目的是针对压电俘能器在人体随机低频摆动环境下俘能效率低的问题，提出一种高效的碰撞升频式双稳态压电俘能器及其俘能方法。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明一种碰撞升频式双稳态压电俘能器，由拨片、压电梁、摆砣、转轴、磁铁和圆形外壳底座组成；所述的圆形外壳底座包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；转轴与圆形底座同轴设置，且转轴与圆形底座构成转动副。所述的摆砣包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴半径大2～4mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4～6mm；摆砣开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣的中心孔固定在转轴上，第二半圆柱的柱面上开设一个圆孔，圆孔的中心轴线位于第二半圆柱的对称面上；圆孔内嵌一块磁铁。圆环形外壳内侧壁固定有对称设置的两个拨片组；所述的拨片组包括沿转轴周向等距排布的三片拨片，同个拨片组的相邻拨片所夹圆心角为β，β在20～45°之间取值；拨片组内中间位置的拨片侧面水平设置；两个拨片组顶部及底部最近的两片拨片所夹圆心角均为180°-2β；同个拨片组每相邻的两片拨片间设有一根压电梁；同个拨片组对应的两根压电梁所夹圆心角为β，且不同拨片组对应的压电梁中，有两根压电梁所夹圆心角为180°。拨片相对转轴的轴向位置与压电梁相对转轴的轴向位置对应；转轴径向方向上，拨片与转轴轴心的距离小于压电梁外端端面与转轴轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁底部位置固定一块磁铁，第二半圆柱上的磁铁与圆环形外壳内侧的磁铁相向端的磁极相同；初始状态时，摆砣重心和转轴轴心连线与竖直面的夹角为α/2，α＝β-k，k在0.5～2°之间取值。

α根据第二半圆柱上的磁铁大小、圆环形外壳内侧的磁铁大小、两块磁铁的间距以及两块磁铁的磁感应强度调节。

该碰撞升频式双稳态压电俘能器的俘能方法，具体如下：

人体携带时将摆砣竖直放置。第二半圆柱上的磁铁与圆环形外壳内侧的磁铁相互排斥磁力作用，使得摆砣势能存在两个势阱和一个势垒，两个势阱位置分别位于圆环形外壳内侧磁铁的两侧，势垒位置位于圆环形外壳内侧的磁铁位置处。

当人体摆动带给摆砣的激励小于越过势垒高度所需临界值时，摆砣在人体摆动频率下绕转轴在其中一个势阱内做摆动，从而通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞，致使压电梁高频振动产生电能，提高输出功率。

当人体摆动带给摆砣的激励大于越过势垒高度所需临界值时，摆砣发生两个势阱间周期或混沌运动，增加压电梁与拨片之间的撞击力，收集更多的摆动能，进一步提高输出功率，拓宽有效俘能频带。

当人体摆动带给摆砣的激励减弱到小于越过势垒高度所需临界值时，摆砣在人体摆动频率下绕转轴在其中一个势阱内做摆动，也有同样数量的压电梁与对应拨片发生碰撞，致使压电梁高频振动。

本发明具有的有益效果：

摆砣通过耦合磁力作用引入双稳态结构，使其在低频随机摆动激励下处于一个势阱内小幅摆动或者两个势阱间大幅周期或大幅混沌运动状态，压电梁与拨片碰撞，实现升频转换，将人体摆动能转化成电能，并提高发电效率。

附图说明

图1为本发明的第一个静平衡位置时平面示意图；

图2为本发明的第二个静平衡位置时平面示意图；

图3为本发明的立体图；

图4为本发明中摆砣上磁铁轴线与圆环形外壳内壁磁铁轴线重合时的示意图；

图5为本发明中摆砣的结构立体图；

图6为本发明中摆砣的势能与摆砣上磁铁中心轴线相对圆环形外壳内侧磁铁中心轴线的角度关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参照图1、2、3、4、5，一种碰撞升频式双稳态压电俘能器，由拨片1、压电梁2、摆砣3、转轴4、磁铁5和圆形外壳底座6组成；圆形外壳底座6包括一体成型的圆环形外壳和圆形底座；转轴4与圆形底座同轴设置，且转轴4与圆形底座构成转动副。摆砣3包括一体成型的第一半圆柱和第二半圆柱，第一半圆柱的半径比转轴4半径大2mm，第二半圆柱的半径比圆环形外壳的内径小4mm；摆砣3开设的中心孔一半位于第一半圆柱上，另一半位于第二半圆柱上；摆砣3的中心孔固定在转轴4上，第二半圆柱的柱面上开设一个圆孔，圆孔的中心轴线位于第二半圆柱的对称面上；圆孔内嵌一块磁铁5。圆环形外壳内侧壁固定有对称设置的两个拨片组；每个拨片组包括沿转轴4周向等距排布的三片拨片，同个拨片组的相邻拨片所夹圆心角为40°；拨片组内中间位置的拨片侧面水平设置；两个拨片组顶部及底部最近的两片拨片所夹圆心角均为100°；同个拨片组每相邻的两片拨片间设有一根压电梁2；同个拨片组对应的两根压电梁2所夹圆心角为40°，且不同拨片组对应的压电梁2中，有两根压电梁2所夹圆心角为180°。拨片1相对转轴4的轴向位置与压电梁2相对转轴4的轴向位置对应；转轴4径向方向上，拨片1与转轴4轴心的距离小于压电梁2外端端面与转轴4轴心的距离；在圆环形外壳内侧壁底部位置固定一块磁铁5，第二半圆柱上的磁铁5与圆环形外壳内侧的磁铁5相向端的磁极相同；初始状态时，在摆砣自身重力和两块磁铁的排斥力共同作用下，摆砣重心和转轴4轴心连线与竖直面的夹角为α/2，α＝39°。

本实施例中磁铁采用圆柱体，也可使用其他形状。

参见图6，该碰撞升频式双稳态压电俘能器的俘能方法，具体如下：

人体携带时将摆砣3竖直放置。第二半圆柱上的磁铁5与圆环形外壳内侧的磁铁5相互排斥磁力作用，使得摆砣3势能存在两个势阱(图6中角度为-α/2和α/2处)和一个势垒(图6中角度为0处)，两个势阱位置分别位于圆环形外壳内侧磁铁5的两侧，势垒位置位于圆环形外壳内侧的磁铁5位置处，因此，摆砣为双稳态结构。

当人体摆动带给摆砣的激励小于越过势垒高度所需临界值时，摆砣3在人体摆动频率下绕转轴4在其中一个势阱内做摆动，从而通过转轴4带动压电梁2与拨片1发生碰撞，致使压电梁2高频(60～300hz)振动，实现低频向高频的转变；压电梁2发生高频振动能产生电能，从而达到俘能的目的。压电梁2和拨片1组合发生碰撞，有效提高了输出功率。

当人体摆动带给摆砣的激励大于越过势垒高度所需临界值时，摆砣3发生两个势阱间周期或混沌运动，增加了压电梁2与拨片1之间的撞击力，可收集更多的摆动能，进一步提高输出功率，拓宽有效俘能频带。

当人体摆动带给摆砣的激励减弱到小于越过势垒高度所需临界值时，摆砣3在人体摆动频率下绕转轴4在其中一个势阱内做摆动，也有同样数量的压电梁2与对应拨片1发生碰撞，致使压电梁2高频(60～300hz)振动。

根据随机激励的强度，改变第二半圆柱上的磁铁5大小、圆环形外壳内侧的磁铁5大小、两块磁铁的间距以及两块磁铁的磁感应强度来调节摆砣3越过势垒高度所需激励强度的临界值。