CN113224974B - 一种双向振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向振动能量收集装置，包括底座、支撑立柱、套环、支撑弹簧、联动弹簧、能量转换悬臂梁、顶座和导向杆，支撑立柱安装于底座之上，套环套设于支撑立柱之外，套环沿支撑立柱的轴向活动；数根导向杆竖直安装于顶座之下，导向杆与支撑弹簧一一对应，支撑弹簧套设于导向杆之外，支撑弹簧的顶端与顶座连接，支撑弹簧的底端与套环连接，导向杆的底端贯穿至套环之下且活动配合；联动弹簧与能量转换悬臂梁一一对应，联动弹簧的顶端连接至套环，联动弹簧的底端与能量转换悬臂梁的一端连接，能量转换悬臂梁的另一端连接至底座，以使联动弹簧与能量转换悬臂梁联动，通过能量转换悬臂梁将机械能转换为电能。本发明实现双向能量收集。

Description

一种双向振动能量收集装置

技术领域

本发明属于能量转换技术领域，具体涉及一种双向振动能量收集装置。

背景技术

近年来，环境中的振动能量采集技术备受关注，该采集技术能够使无电池的无线电子设备的正常运行，将振动引起的环境机械能转化为电能。实际上，来自任何地方的机械振动能量都可采集。天然或人造振动都是有用的机械能源，但在这些环境下振动频率通常很低，相反应力变化可以非常高，通过磁性材料提供的强磁力耦合将能量转换为电能，这种方法可以克服一些电线布线或更换电池等困难，它降低了安装维护成本，却仍然保持了高坚固性和紧凑性。

对于振动能量收集设备，压电材料已经成功应用，然而它们表现出一些局限性，因为去极化效应使其能量密度相对较低，这可以通过使用磁致伸缩材料来解决。大磁致伸缩材料(Galfenol)是一种新型的智能材料，具有优越的机磁耦合特性、抗应力冲击能力强、机磁耦合系数大、高功率密度、压磁感应灵敏且速度快、负载能力强、可靠性高等特点，适合用于振动能量采集平台中人类行走所产生振动能量的收集。因此，开展基于超磁致伸缩材料的振动能量采集技术研究，促进新型高效振动能量采集平台的开发，具有重要的科学研究意义和应用前景。

大磁致伸缩材料Galfenol是一种智能材料，可实现能量的机械能与磁能双向可逆转换。在以Galfenol材料为基础的振动能量收集装置中，可以弥补传统微器件中的供能方式不足。磁致伸缩式振动能量收集装置是基于磁致伸缩材料的维拉里效应将机械振动能转化为磁能、再转化为电能。磁致伸缩材料的维拉里效应，也称为压磁效应，即Galfenol材料受到应力发生弯曲变形时，周期性的弯曲变形引起材料内部的磁通密度发生改变的现象。当磁致伸缩材料受到外力的作用时，磁化状态发生改变，基于电磁感应定律，变化的磁场在感应线圈中产生感应电流，从而实现将机械能先转换成磁能，再将磁能转换为电能。

利用压电材料能够把任何形式的振动能转换成电能，而且与电磁式和静电式的振动能量收集方式相比，此方式的力电转换性能好、无需额外电源、获得的能量密度高，因此在能量工程、智能器件、信息技术等方面都得到了广泛的应用。压电式振动能量收集装置的机理是基于压电材料的正压电效应把机械振动能转换为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的电荷，电荷的面密度与所受外力的大小成正比，当外力撤去后，又恢复到不带电的状态，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，由此将机械振动能转换为电能。

基于此，有必要开发一种新型的振动能量收集装置。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种双向振动能量收集装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种双向振动能量收集装置，包括底座、支撑立柱、套环、支撑弹簧、联动弹簧、能量转换悬臂梁、顶座和导向杆，支撑立柱安装于底座之上，套环套设于支撑立柱之外，且套环仅能沿支撑立柱的轴向活动；数根导向杆竖直安装于顶座之下，导向杆与支撑弹簧一一对应，支撑弹簧套设于相应的导向杆之外，支撑弹簧的顶端与顶座连接，支撑弹簧的底端与套环连接，导向杆的底端贯穿至套环之下，且导向杆活动配合于套环；联动弹簧与能量转换悬臂梁一一对应，联动弹簧的顶端连接至套环，联动弹簧的底端与能量转换悬臂梁的一端连接，能量转换悬臂梁的另一端连接至底座，以使联动弹簧与能量转换悬臂梁联动，通过能量转换悬臂梁将机械能转换为电能。

作为优选方案，当顶座位于底座的上方，即正向安装时，联动弹簧为压缩弹簧；当底座位于顶座的上方，即反向安装时，联动弹簧为拉伸弹簧。

作为优选方案，所述能量转换悬臂梁包括金属基板和安装于金属基板上下两板面局部区域的压电薄膜。

作为优选方案，所述能量转换悬臂梁包括金属基板和安装于金属基板上下两板面局部区域的磁致伸缩片，上下两板面的磁致伸缩片之间缠绕包裹有感应线圈；金属基板上对应于感应线圈安装有磁铁；所述磁铁的磁极方向与金属基板的轴向平行。

作为优选方案，所述磁致伸缩片为铁镓合金。

作为优选方案，所述金属基板为铍青铜材质。

作为优选方案，所述套环具有对应于各导向杆的贯通孔，用于导向杆的贯穿。

作为优选方案，所述支撑立柱具有竖向的限位槽，相应地，所述套环的内圈具有与限位槽相配的凸耳，以使套环仅能沿支撑立柱的轴向活动。

作为优选方案，数根导向杆沿套环的周向均匀分布。

作为优选方案，所述联动弹簧有多根，沿支撑立柱的周向均匀分布。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)本发明的双向振动能量收集装置，可正、反使用，且可应用在许多场合，如鞋的鞋底，以及许多工作时伴有振动的机械设备上，收集的振动能量来源广泛，结构简单，容易加工，安装方便；

(2)能量转换悬臂梁上的智能材料(压电薄膜或磁致伸缩片)粘贴分布在金属基板的上下两面，使得收集到的能量更多；

(3)本发明的双向振动能量收集装置可以根据不同的振源信号频率特性，调整联动弹簧的弹性系数可改变系统的谐振频率，适应不同激振信号的频率特性，提高能量转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的双向振动能量收集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1的能量转换悬臂梁的结构示意图；

图3是本发明实施例2的双向振动能量收集装置的结构示意图；

图4是本发明实施例2的能量转换悬臂梁的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

实施例1：

本实施例的双向振动能量收集装置，包括底座1、支撑立柱2、套环3、四根支撑弹簧4、四根联动弹簧5、四根能量转换悬臂梁6、顶座7和四根导向杆8。

本实施例的底座1为顶部敞口的中空圆柱体结构，支撑立柱2竖直安装在底座1的中部；套环3套设在支撑立柱2之外，且套环3仅能沿支撑立柱2的轴向活动；具体地，支撑立柱2具有竖向的限位槽，套环3的内圈具有与限位槽相配的凸耳，以使套环3仅能沿支撑立柱2的轴向活动，防止套环3的旋转；其中，套环3的材质优选为不导磁材料。

四根导向杆8竖直安装在顶座的中部之下，且四根导向杆8沿套环3的周向均匀分布；导向杆8与支撑弹簧4一一对应，支撑弹簧4套设在相应的导向杆8之外，支撑弹簧4的顶端与顶座7连接，支撑弹簧4的底端与套环3连接，导向杆8的底端贯穿至套环3之下，且导向杆8活动配合于套环3。具体地，套环3具有对应于各导向杆的贯通孔，用于导向杆的贯穿，以便导向杆8活动配合于套环3。

本实施例的联动弹簧5与能量转换悬臂梁6一一对应，各联动弹簧的顶端连接至套环，各联动弹簧的底端与能量转换悬臂梁的一端连接，能量转换悬臂梁的另一端连接至底座，以使联动弹簧与能量转换悬臂梁联动，通过能量转换悬臂梁将机械能转换为电能。其中，联动弹簧5且沿支撑立柱2的周向均匀分布。

如图2所示，本实施例的能量转换悬臂梁6包括金属基板6a和安装在金属基板上下两板面局部区域的压电薄膜A；其中，金属基板优选为铍青铜材质，具有良好的弹塑性能以及导电性能，其结构为等截面结构。

当本实施例的双向振动能量收集装置的顶座位于底座的上方，即正向安装时，联动弹簧5为压缩弹簧；正向安装时，本实施例的双向振动能量收集装置可用于鞋底的振动能量收集或健身器材的振动能量收集；外部激励给顶座一个向下的压力，通过与支撑弹簧相连接的套环进行力的传递，通过压缩弹簧使得能量转换悬臂梁产生振动，位于金属基板上层的压电薄膜受拉伸力，位于金属基板下层的压电薄膜受压缩力，压电薄膜由于压电效应，在受力条件下使得原本重合的正、负电荷重心受压后产生分离而形成电偶极子，从而使压电薄膜特定方向的两端带有符号不同的电荷量，产生电流，实现能量收集。

当本实施例的双向振动能量收集装置的底座位于顶座的上方，即反向安装时，联动弹簧为拉伸弹簧。反向安装时，本实施例的双向振动能量收集装置的顶座与振动源固定，底座向上安装时，可用于例如：各种机械设备的振动能量收集。当顶座与机械设备接触，接收到振动激励后，通过支撑弹簧传递振动信号，套环受到下方顶座传递的振动信号以及自身的重力影响，通过拉伸弹簧带动能量转换悬臂梁振动变形，能量转换悬臂梁面向顶座方向的压电薄膜受压缩作用，另一面的压电薄膜受到拉伸作用，压电薄膜通过压电效应将机械能转换为电能，实现能量收集。

本实施例的双向振动能量收集装置接收到振动信号产生振动，整个结构在振动过程中会出现一个谐振频率，可以根据不同的振源信号频率特性，调整弹簧的弹性系数可改变系统的谐振频率，适应不同激振信号的频率特性，提高能量收集效率。

实施例2：

本实施例的双向振动能量收集装置与实施例1的不同之处在于：能量转换悬臂梁的结构不同。

具体地，如图3和4所示，本实施例的能量转换悬臂梁60包括金属基板和安装于金属基板上下两板面局部区域的磁致伸缩片B，上下两板面的磁致伸缩片之间缠绕包裹有感应线圈C；金属基板上对应于感应线圈安装有磁铁9，磁铁9的磁极方向与金属基板的轴向平行。其中，磁致伸缩片为铁镓合金(即Galfenol薄片)，金属基板为铍青铜材质，具有良好的弹塑性能以及导电性能，其结构为等截面结构。

本实施例的磁致伸缩片在受到应力变化时，根据磁致伸缩材料维拉里效应，材料应力状态的改变会引起材料感应强度的变化，此时缠绕在磁致伸缩片上的感应线圈内的磁通量会发生改变；在磁铁产生的偏置磁场下，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁感应强度会在感应线圈中会产生感应电动势，从而实现从机械能到磁能再到电能的转换。

其他结构可以参考实施例1。

实施例3：

本实施例的双向振动能量收集装置与实施例1的不同之处在于：

支撑弹簧、联动弹簧、能量转换悬臂梁、导向杆的数量不限于实施例1所限定的四根，具体可根据实际应用进行调整；

其他结构可以参考实施例1。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双向振动能量收集装置，其特征在于，包括底座、支撑立柱、套环、支撑弹簧、联动弹簧、能量转换悬臂梁、顶座和导向杆，支撑立柱安装于底座之上，套环套设于支撑立柱之外，且套环仅能沿支撑立柱的轴向活动；数根导向杆竖直安装于顶座之下，导向杆与支撑弹簧一一对应，支撑弹簧套设于相应的导向杆之外，支撑弹簧的顶端与顶座连接，支撑弹簧的底端与套环连接，导向杆的底端贯穿至套环之下，且导向杆活动配合于套环；联动弹簧与能量转换悬臂梁一一对应，联动弹簧的顶端连接至套环，联动弹簧的底端与能量转换悬臂梁的一端连接，能量转换悬臂梁的另一端连接至底座，以使联动弹簧与能量转换悬臂梁联动，通过能量转换悬臂梁将机械能转换为电能。

2.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，当顶座位于底座的上方，即正向安装时，联动弹簧为压缩弹簧；当底座位于顶座的上方，即反向安装时，联动弹簧为拉伸弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述能量转换悬臂梁包括金属基板和安装于金属基板上下两板面局部区域的压电薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述能量转换悬臂梁包括金属基板和安装于金属基板上下两板面局部区域的磁致伸缩片，上下两板面的磁致伸缩片之间缠绕包裹有感应线圈；金属基板上对应于感应线圈安装有磁铁；所述磁铁的磁极方向与金属基板的轴向平行。

5.根据权利要求4所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述磁致伸缩片为铁镓合金。

6.根据权利要求3或4所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述金属基板为铍青铜材质。

7.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述套环具有对应于各导向杆的贯通孔，用于导向杆的贯穿。

8.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述支撑立柱具有竖向的限位槽，相应地，所述套环的内圈具有与限位槽相配的凸耳，以使套环仅能沿支撑立柱的轴向活动。

9.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，数根导向杆沿套环的周向均匀分布。

10.根据权利要求1所述的一种双向振动能量收集装置，其特征在于，所述联动弹簧有多根，沿支撑立柱的周向均匀分布。

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