一種多方向振動能量回收結構的制作方法

專利名稱：一種多方向振動能量回收結構的制作方法
一種多方向振動能量回收結構技術領域
本發明屬于振動能量收集領域，涉及一種將外界振動能量轉換為電能的結構，尤 其是指一種能夠在不同振動環境下適應多方向的能量收集結構。
背景技術：
隨著現代工業的迅猛發展，環境污染和能源短缺是當今世界各國面臨的兩大難 題，為了解決能源危機對經濟發展和人們生活的影響，各國科技工作者開始探索新的綠色 能源。振動作為人們日常生活中的常見現象，由于其具有較高的能量密度，其潛在的能量價 值已引起越來越多的科技研究者的關注和思考。
壓電材料作為一種智能材料，具有正壓電效應和逆壓電效應，利用其正壓電效應 可以將機械能轉化為電能，而利用其逆壓電效應可以將電能轉化為機械能，于是人們想到 了利用壓電材料的正壓電效應來實現其發電這一思路。利用壓電材料采集環境振動能量這 一技術方案，理論上其供電壽命僅取決于組成壓電振動能量收集裝置的各元器件的壽命， 沒有額外消耗能源，綠色環保。
目前，已有的關于振動能量回收的結構大多是利用壓電材料的正壓電效應，通過 質量塊將振動能量轉換為質量塊的動能，進而使壓電材料產生變形，從而產生電能并通過 儲能結構儲存，這種壓電式振動能量回收結構主要是單方向的，如懸臂梁結構、bimorph結 構、園膜結構等，其方向選擇性很強，在存在多方向隨機振動的情況下，這種方法回收的能 量十分有限。方向的選擇性帶來的另一問題是，在安裝能量回收結構時必須注意環境振動 的方向，有時甚至需要專業人員才能完成。即使在安裝時注意到環境振動的方向，一旦環境 發生變化，該結構的性能將大幅下降。
基于以上分析，本發明人針對現有的振動能量回收結構只對單一方向敏感、振動 能量回收效率不高等缺陷，提供一種具有優異效果的能量回收結構，本案由此產生。發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對前述背景技術中的缺陷和不足，提供一種多 方向振動能量回收結構，此種結構無論振動方向如何改變，或者在存在多方向振動的環境 下都能夠高效率地收集振動能量。
本發明為解決上述技術問題，所采用的技術方案是一種多方向振動能量回收結構，包括外殼、質量塊、能量轉換條、永磁體和電磁線圈；外 殼為中空的立體結構，質量塊位于外殼內部中心位置，由軟磁材料制成；能量轉換條的數目 與外殼的頂點數目一致，并將質量塊與外殼的各頂點分別連接，所述的能量轉換條由一預 彎彈性材料芯層和至少一壓電材料層組成，且壓電材料層上布設有能量收集電極；永磁體 由強磁材料制成，固定于質量塊內部，而電磁線圈固定于外殼的外表面。
上述能量轉換條的預彎彈性材料芯層上布設有調諧控制電路。
上述能量轉換條為長方形。
上述能量轉換條由一層預彎彈性材料芯層和兩層壓電材料層組成，且兩層壓電材 料層分別位于預彎彈性材料芯層的兩側，壓電材料層由PVDF材料制成。
上述質量塊由軟磁材料制成，為球形結構或立方體結構。
上述永磁體為圓柱體結構或長方體結構。
上述電磁線圈為環形平面結構，由銅芯線制成。
采用上述方案后，本發明適應性強，環境振動方向的變化對其效率影響很小，在多 方向振動環采集振動能量的效率更高，由于綜合使用了磁電轉換結構，其構造和加工簡單， 能量消耗非常小，進一步提高了能量收集效率。


圖1是本發明的立體結構示意圖； 圖2是本發明的剖視圖；圖3是本發明顯示電磁線圈與外殼結構的剖視圖； 圖4是本發明中能量轉換條的結構示意圖； 圖5是圖4的剖視圖。
具體實施方式
以下將結合附圖對本發明的結構及工作原理進行詳細說明。
配合圖1所示，本發明提供一種多方向振動能量回收結構，包括外殼1、質量塊2、 能量轉換條3、永磁體4和電磁線圈5，以下分別介紹。
外殼1為中空的立體結構，其外部具有η個頂點(η為自然數)，在本實施例中，設 計為中空的正立方體結構，共具有6個外表面、8個頂點。
質量塊2位于外殼1的內部中心，由軟磁材料制成，可為球形結構或立方體結構， 并與外殼1的各頂角均有連接。
能量轉換條3的數目與外殼1的頂角數目η —致，用于分別將質量塊2與外殼1 的各頂角連接，組成對稱結構，能量轉換條3的形態可參考圖4所示，呈長方形結構；所述的 能量轉換條3為具有預彎彈性的金屬條，配合圖5所示，其結構可分為三層，包括位于中間 的預彎彈性材料芯層31和分別位于兩側的壓電材料層32，其中，所述預彎彈性材料芯層31 內布設有調諧控制電極，其可自適應改變能量轉換條3上的電壓，以改變其剛度，進而改變 整個多方向振動能量回收結構的共振頻率；而壓電材料層32沿厚度方向極化，可采用質地 柔軟、變形大、可以產生較大電荷輸出的PVDF材料制作，且所述壓電材料層32上布設有能 量收集電極(圖中未示)。
永磁體4由強磁材料制成，整體形態可為圓柱體或長方體；所述永磁體4固定于質 量塊2內部。
電磁線圈5安裝于外殼1的外表面，如圖2和圖3所示，在本實施例中，電磁線圈5 為環形平面結構，具有兩個抽頭，其選用電阻率小的銅芯線制作，線圈的匝數可根據輸出電 壓要求和振動頻率選擇。
在上述結構中，可將外殼1、質量塊2和能量轉換條3組合作為機電轉換裝置，永 磁體4和電磁線圈5組合作為磁電轉換裝置，本發明綜合了基于壓電材料的機電轉換結構和基于電磁感應原理的磁電轉換結構，外殼1和質量塊2可以看作剛體，這樣能量轉換條3 中的應力應變情況必須考慮。因此，需要用ADAMS建立整個結構的剛柔混合動力學模型， 模擬較復雜的動態情況，并將動力學計算結果送到MSC. Nastran中，深入研究結構的動力 學響應。通過以上分析研究不同方向振動作用下的振動和能量傳遞規律，以及不同結構參 數下振動能量的傳遞規律。以典型的公路橋梁振動環境作為本能量收集系統的輸入激勵， 建立不同參數包括質量塊的質量和尺寸，壓電能量轉換條幾何和力學參數等變化下的能量 輸出關系。以及能量轉換條輸出的總能量最高為目標函數，優化結構的參數。將遺傳算法 (GA, Genetic Algorithm)或粒子群優化算法(PSO, Particle Swarm Optimization)與有 限元分析方法相結合進行優化。在進行動力學分析時，可以先將能量轉換條3的作用簡化 成阻尼加彈簧的共同作用，以確定阻尼系數和彈性系數等優化參數，在對能量轉換效率進 行實驗分析時，外殼一質量塊結構所獲得的機械能可以通過測量其所受的各方向加速度， 通過計算得到。而要測量實際輸出的電能，在不考慮后面充電電路的情況下，可以將每路的 輸出分別單獨接電阻負載進行測量再將其相加即可。
能量轉換條3采用雙層PVDF復合材料，PVDF材料質地柔軟，變形大，可以產生較大 的電荷輸出，而本實施例采用雙層PVDF結構，可在相同變形條件下產生更多的能量輸出。 能量轉換條3的內芯采用金屬彈性材料，其本身可以作為能量收集中的彈簧，同時，金屬也 可以作為PVDF的一個電極，進行能量轉換條研究時，首先應對這種結構的各個參數進行確 定。這類參數包括彎度，上下PVDF層及金屬芯層的厚度，長，寬以及金屬材料種類等，這需 要通過有限元分析軟件，建立相應的力-電耦合模型，利用仿真軟件對某些環境振動作用 下的能量轉換進行仿真計算。為了實現預應力自適應調諧控制，首先通過分析建立PVDF的 壓電驅動方程，在假設能量轉換條兩端相對位移為零的情況下，研究在PVDF上施加電場下 能量轉換條3的彎曲變化情況以及電場作用下其剛度的變化。利用上面的動力學模型，得 到不同彈簧剛度下的共振頻率的關系式，并由此最終得到施加電壓-共振頻率的關系式。 將輸出電壓的有效值作為反饋信號，自適應調節控制器的輸出控制信號加到PVDF上。通過 自尋優，即始終保持能量轉換條3上采集到的電壓信號有效值最大為目標，進行共振頻率 調節。通過對比實驗，可以評估自適應調諧功能產生的效果。在相同輸入激勵下，先進行無 控下能量收集實驗，測量其單位時間內收集到的能量，然后在有控下完成相應實驗，將兩組 實驗數據對比。為了使調諧控制加在PVDF上的電壓不影響振動激勵下PVDF上所產生的電 壓，在PVDF的同一面上布置兩部分各種獨立的電極。預應力調諧控制并不需要消耗很多能 量，因為其所加電壓變化非常緩慢其上所消耗的能量幾乎可以認為只是由于壓電元件漏電 流所引起。
磁電轉換結構比較簡單。處于磁場中的一段導體切割磁感線時會產生感應電動 勢，如果將導體作為電源與負載構成閉合回路，則會產生感應電流，或者使閉合回路中的磁 通量發生變化，閉合回路中就會產生感應電流，隨著磁通量變化頻率增大，或者線圈匝數增 多，感應電動勢和感應電流就越大。這就是電磁感應原理。如圖2所示，永磁體4固定在質 量塊2內，質量塊2為導磁材料(如純鐵)，質量塊2受到環境振動激勵時產生運動，永磁體 4隨著質量塊2 —起運動，可以多自由度感受多方向的振動，固定于立體外殼1的電磁線圈 5中的磁通量隨著永磁體4的振動發生與振動頻率一致的變化，六個線圈分別對不同方向 的振動方向敏感。每兩個相對的線圈感受相同方向的振動。平面的電磁線圈5具有兩個抽頭，接入儲電電路，構成閉合回路，對儲能元件充電，或者直接給無線傳感節點供電。
以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是 按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍 之內。
權利要求
1.一種多方向振動能量回收結構，其特征在于包括外殼、質量塊、能量轉換條、永磁 體和電磁線圈；外殼為中空的立體結構，質量塊位于外殼內部中心位置，由軟磁材料制成； 能量轉換條的數目與外殼的頂點數目一致，并將質量塊與外殼的各頂點分別連接，所述的 能量轉換條由一預彎彈性材料芯層和至少一壓電材料層組成，且壓電材料層上布設有能量 收集電極；永磁體由強磁材料制成，固定于質量塊內部，而電磁線圈固定于外殼的外表面。
2.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述能量轉換條 的預彎彈性材料芯層上布設有調諧控制電路。
3.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述能量轉換條 為長方形。
4.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述能量轉換條 由一層預彎彈性材料芯層和兩層壓電材料層組成，且兩層壓電材料層分別位于預彎彈性材 料芯層的兩側，壓電材料層由PVDF材料制成。
5.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述質量塊由軟 磁材料制成，為球形結構或立方體結構。
6.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述永磁體為圓 柱體結構或長方體結構。
7.如權利要求1所述的一種多方向振動能量回收結構，其特征在于所述電磁線圈為 環形平面結構，由銅芯線制成。
全文摘要
本發明公開一種多方向振動能量回收結構，包括外殼、質量塊、能量轉換條、永磁體和電磁線圈；外殼為中空的立體結構，質量塊位于外殼內部中心位置，由軟磁材料制成；能量轉換條的數目與外殼的頂點數目一致，并將質量塊與外殼的各頂點分別連接，所述的能量轉換條由一預彎彈性材料芯層和至少一壓電材料層組成，且壓電材料層上布設有能量收集電極；永磁體由強磁材料制成，固定于質量塊內部，而電磁線圈固定于外殼的外表面。此結構無論振動方向如何改變，或者在存在多方向振動的環境下都能夠高效率地收集振動能量。
文檔編號H02K35/02GK102035432SQ20101060135
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者馮智凱, 呂文琪, 漲紅, 董菁, 陳仁文 申請人:南京航空航天大學