阅读说明：本技术 一种旋转式自调频压电振动能量收集器 (Rotary self-frequency-modulation piezoelectric vibration energy collector ) 是由 邓丽城 吴蓓园 方玉明 于 2019-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明是一种旋转式自调频压电振动能量收集器,包括主梁、副梁、质量块和外框,主梁为压电梁,由压电层和衬底层构成,主梁的一端固定在外框上,主梁的另一端与质量块相连,副梁为弹性梁,副梁的一端与外框连接,副梁的另一端与质量块连接,质量块的中间设置有贯穿槽,质量块与主梁通过贯穿槽连接,质量块通过贯穿槽约束在主梁长度方向滑动,外框固定在旋转机构上。本发明的质量块所受的离心力作用于质量块时,质量块质心在主梁上的位置发生变化,调节振动能量收集器的固有频率,实现与转动激励频率相匹配,增加振动能量收集器工作频带宽度,提高结构的可靠性,降低结构设计的难度。(The invention relates to a rotary self-frequency-modulation piezoelectric vibration energy collector which comprises a main beam, a secondary beam, a mass block and an outer frame, wherein the main beam is a piezoelectric beam and consists of a piezoelectric layer and a substrate layer, one end of the main beam is fixed on the outer frame, the other end of the main beam is connected with the mass block, the secondary beam is an elastic beam, one end of the secondary beam is connected with the outer frame, the other end of the secondary beam is connected with the mass block, a through groove is formed in the middle of the mass block, the mass block is connected with the main beam through the through groove, the mass block is restrained to slide in the length direction of. When the centrifugal force borne by the mass block acts on the mass block, the position of the mass center of the mass block on the main beam is changed, the natural frequency of the vibration energy collector is adjusted, the vibration energy collector is matched with the rotation excitation frequency, the working frequency bandwidth of the vibration energy collector is increased, the reliability of the structure is improved, and the difficulty of structural design is reduced.)

一种旋转式自调频压电振动能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体的说是涉及一种旋转式自调频振动能量收集器。

背景技术

微电子器件与系统(如无线传感网络节点，医疗植入传感器、武器装备故障监测系统等)的快速发展与广泛应用，要求供电系统具有寿命长、体积小、重量轻等特点。传统化学能电池在发展过程中遇到了寿命短、体积大、重量重等技术瓶颈，成为制约了微电子器件与系统发展的主要障碍之一，将周围环境中的振动能转换为电能的能量收集器技术，在理论上能够实现供电时间无限长，且具有体积小、重量轻、能量密度高等优点，是取代传统化学能电池实现对微电子器件与系统供电最有希望的技术方案之一，在学术界和工业界都引起了极大的兴趣，近年来得到了快速的发展。

高输出性能的振动能量收集器要求振动能量收集器同时具有高的振动能量获取和振动能量转换能力，目前大部分振动能量收集器的振动能量获取主要是基于共振效应实现的。基于共振效应的振动能量收集器通常只能在较窄的频率范围内(1Hz左右)具有较好的振动能量获取能力，而环境振动源的振动频率通常在较宽的频率范围内随机变化，即存在振动能量收集器的工作频率与激励频率不匹配的矛盾，导致振动能量收集器输出性能低、工作频带窄，成为制约振动能量收集器实用化的关键因素。

为了解决该问题，近年来提出了一些新方法：Shad Roundy等人(SmartMaterials&Structures.2014,23(10):105004)利用非线性频带拓展方法提出了应用于胎压监测系统的宽频带振动能量收集器。通过振动能量收集器的安装方式实现偏移摆的动力学特性，通过约束在挡板之间运动的小球实现非线性双稳态特性，研制的器件拓展了振动能量收集器工作频带宽度。但该方法的频带拓展宽度仍然有限；且非线性结构需要引入磁铁等辅助机构，增加了振动能量收集器结构的复杂度。Wang Yu-Jen课题组(Sensors andActuators A: Physical.2019(285):25-34)利用离心力改变悬臂梁截面惯性矩调节振动能量收集器共振频率的方法提出了自调频振动能量收集器新结构。但该结构引入滚柱轴承，增加了结构的复杂度；同时该结构中的梯形梁在滚柱轴承中随着车速的变化来回移动，容易破坏压电材料或压电材料表面的电极，降低了器件可靠性低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种旋转式自调频振动能量收集器，利用转动过程中质量块自身的离心力改变质量块质心在主梁上的位置来调节振动能量收集器的共振频率，实现与激励频率相匹配，从而拓展振动能量收集器的工作频带范围、提高振动能量收集器的输出性能。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种旋转式自调频压电振动能量收集器，包括主梁、副梁、质量块和外框，主梁为压电梁，由压电层和衬底层构成，主梁的一端固定在外框上，主梁的另一端与质量块相连，副梁为弹性梁，副梁的一端与外框连接，副梁的另一端与质量块连接，质量块的中间设置有贯穿槽，质量块与主梁通过贯穿槽连接，质量块通过贯穿槽约束在主梁长度方向滑动，外框固定在旋转机构上，当旋转机构转动时，压电振动能量收集器在转动激励作用下发生振动而实现能量收集，质量块在离心力和副梁弹性力共同作用下，在主梁上发生滑动，调节压电振动能量收集器的谐振频率，实现与转动激励频率匹配。

本发明的进一步改进在于：所述压电梁为一端宽另一端窄的结构或为长方形。

本发明的进一步改进在于：压电梁上的压电层的上、下表面都分布电极的压电材料，电能由上、下表面电极输出。

本发明的进一步改进在于：副梁为螺旋型弹性梁或折叠梁。

本发明的有益效果是：(1)本发明的质量块所受的离心力作用于质量块时，质量块质心在主梁上的位置发生变化，从而改变悬臂梁有效长度，对于主梁为非长方形结构，还能同时改变主梁的有效截面惯性矩，进而可以更加灵活的调节振动能量收集器的固有频率，实现与转动激励频率相匹配，增加振动能量收集器工作频带宽度；

(2)本发明质量块与主梁接触但不固定，避免质量块大的离心力对主梁的破坏，提高结构的可靠性；

(3)本发明的副梁只有拉伸刚度不为零，对弯曲振动的主梁共振频率无影响，降低结构设计的难度。

附图说明

图1是本发明旋转式自调频压电振动能量收集器整体结构示意图。

图2是本发明收集器的安装示意图。

图3是主梁为长方形的收集器的结构示意图。

图4是主梁为一端窄一端宽形状的收集器的结构示意图。

图5是副梁为折叠梁的结构示意图。

图6是车速与车轮旋转频率和振动能量收集器固有频率关系曲线。

图7是在满足6曲线下，车速与副梁弹性系数和质量块滑动位移的关系曲线。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

如图1-7所示，本发明是一种旋转式自调频压电振动能量收集器，包括主梁1、副梁3、质量块4和外框6，所述主梁1为压电梁，由压电层2和衬底层构成，所述主梁1的一端固定在所述外框6上，所述主梁1的另一端与所述质量块4相连，所述副梁3为弹性梁，弹性刚度在主梁1长度方向不为零，在其他方向可忽略，所述副梁3的一端与所述外框6连接，所述副梁3的另一端与所述质量块4连接，所述质量块4的中间设置有贯穿槽5，所述质量块 4与所述主梁1通过所述贯穿槽5连接，所述质量块4通过所述贯穿槽5约束在主梁1长度方向滑动，所述质量块4为可滑动部件，滑动约束在所述主梁1 长度方向，所述外框6固定在旋转机构如汽车轮毂7上，当旋转机构转动时，压电振动能量收集器在转动激励作用下发生振动而实现能量收集，所述质量块4在离心力和副梁弹性力共同作用下，在主梁上1发生滑动，调节压电振动能量收集器的谐振频率，实现与转动激励频率匹配，拓展能量收集器工作频带宽度，且该结构简单、易于设计、可靠性高，所述压电梁为一端宽另一端窄的结构，如图1和图4所示，压电梁也可以为为长方形如图3所示，或者是可以根据实际需要确定的其他形状，所述压电梁上的压电层2的上、下表面都分布电极的压电材料，压电材料可以是锆钛酸铅PZT、氮化铝AlN、氧化锌ZnO、氮化铝钪Sc_xAl_1-xN等，电能由上、下表面电极输出，所述副梁 3为螺旋型弹性梁如图1或折叠梁如图5或根据实际需要确定的其他结构的梁，副梁与所述的质量块和外框连接在一起，其连接方式可以是一端简支一端固支或两端都简支连接，

所述旋转式自调频压电振动能量收集器的工作原理在于：当振动能量收集器随旋转机构如所述轮毂7一起转动时，振动能量收集器受到加速度幅值为1g(g＝9.8m/s²)，激励为转动频率的转动激励；当振动能量收集器的谐振频率与转动频率基本一致时，振动能量收集器产生大的振动而输出电能，随着转动机构转动频率增大，所述质量块4受到的离心力增大，使所述质量块4 在所述主梁1上发生滑动，调整振动能量收集器的固有频率，在所述副梁3 弹性力和该离心力作用下，精确控制所述质量块4在所述主梁1上滑动的位移，使振动能量收集器调整后的固有频率与转动激励频率仍然相匹配，从而达到拓展振动能量收集器的工作频率范围的目的。

以汽车轮胎转动为例，如图6-7所示，在车速为60～105km/h范围内，所述副梁3为线性弹簧，即弹性系数随所述质量块4滑动位移不变，振动能量收集器固有频率与转动频率基本实现了匹配，所述副梁3以独立梁的形式引入，后续对线性弹簧特性的副梁设计容易实现。

更进一步，旋转机构在高速转动时，所述质量块4会受到大的离心力作用，由于所述质量块4与所述主梁1是通过所述贯穿槽5连接的，因此所述质量块4所受的离心力理论上不会对所述主梁1产生离心力方向力的作用，避免了大离心力破解振动能量收集器结构的风险，提高了结构的可靠性。

更进一步，所述副梁3在所述主梁1长度方向有弹性刚度，而所述质量块4在所述主梁1长度方向又是自由滑动的，因此所述副梁3的引入不会对振动能量收集器的固有频率产生影响，降低了结构设计难度。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。