增强型超多稳态宽频振动能量收集装置
阅读说明：本技术 增强型超多稳态宽频振动能量收集装置 (Enhanced ultra-multi-stable-state broadband vibration energy collecting device ) 是由 钟翔 汪步宜 任杰 邓华夏 马孟超 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置,由圆筒状金属外壳和设置在外壳中的竖向导杆构成在外界竖向激励条件下往复运动的竖向运动模块；串联设置的上波纹管和下波纹管套装在导杆上,上波纹管的底部固定在下底板上,质量块固定在上波纹管的顶端,设有内圆环磁铁的主质量单元位于上波纹管和下波纹管的连接处,与质量块共同构成拉拉环结构；利用设置在金属外壳中部的外侧永磁体基座固定设置多道外圆环永磁体,由内圆环磁铁与外圆环永磁体构成多稳态结构；能量转化单元中的摩擦材料贴附在纹波管的外表面,用于在振动过程中随着与波纹管的表面的接触和分离进行发电。本发明能够实现将环境中低频、宽频条件下的振动能量转化为电能,尤其为无线传感装置供电。(The invention discloses an enhanced super-multistable broadband vibration energy collecting device, which comprises a cylindrical metal shell and a vertical guide rod arranged in the shell, wherein the vertical motion module reciprocates under the external vertical excitation condition; an upper corrugated pipe and a lower corrugated pipe which are arranged in series are sleeved on the guide rod, the bottom of the upper corrugated pipe is fixed on the lower bottom plate, a mass block is fixed at the top end of the upper corrugated pipe, and a main mass unit provided with an inner ring magnet is positioned at the joint of the upper corrugated pipe and the lower corrugated pipe and forms a pull ring structure together with the mass block; a plurality of outer ring permanent magnets are fixedly arranged on an outer permanent magnet base arranged in the middle of the metal shell, and a multi-stable structure is formed by the inner ring permanent magnets and the outer ring permanent magnets; the friction material in the energy conversion unit is attached to the outer surface of the corrugated tube and used for generating electricity along with contact and separation with the surface of the corrugated tube in the vibration process. The invention can convert the vibration energy under low-frequency and wide-frequency conditions in the environment into electric energy, and particularly supplies power for the wireless sensing device.)
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，更具体地说是涉及一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置。
背景技术
能量收集器是用于采集周围环境中的振动能量，并转换为电能的装置，具有体积小、能量密度高和环保等优点，摆脱了传统电池需要定期更换或者充电等问题的束缚，可以实现实时供电的目标，在无线传感网络中发挥着极其重要的作用。
振动能量收集器按照能量转换的方式主要分为压电式、电磁式和静电式三种。压电式振动能量收集器通过压电材料将振动能转换为应变能，进而转换为电能；电磁式振动能量收集器通过磁铁切割线圈产生感应电动势；静电式振动能量收集器需要提供外部电源，振动改变电容大小输出电能；近年来兴起的摩擦纳米发电技术，作为一项颠覆性技术，所成就的摩擦纳米发电机基于摩擦起电效应和静电感应，能够将机械能转化为电能，同时还具有极佳的输出特性和低频响应优势。
线性设计的振动能量收集器的工作频率被限制在结构的谐振点附近。当外部频率偏移时，振动能量收集器的输出效率将急剧下降，而环境中的振动能量具有明显的宽频特性，并且大多集中在低频附近，因此如何实现高效的低频、宽频条件下的振动能量收集是目前一直聚焦的热点。
已有双稳态宽频振动能量收集器，包括基于引入外部磁铁、通过预紧力构建弯曲梁结构以及多模态结构的方案，其虽然在原理上可以实现宽频响应，但是真正在低频如何更好地实现多稳态响应，即如何更好地跨越势垒，仍然是亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种增强型超多稳态宽频振动能量收集装置，有效提高低频条件下能量收集器的宽频输出性能。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点是：
由外侧永磁体基座和分处在外侧永磁体基座两端的下金属圆筒和上金属圆筒构成圆筒状金属外壳；在所述金属外壳的顶端和底端分别设置上底板和下底板，在所述金属外壳中，由所述上底板和下底板支撑有导杆，构成沿导杆轴向上的竖向运动模块，在外界竖向激励条件下往复运动；
在所述金属外壳中，串联设置的上波纹管和下波纹管套装在导杆上，所述上波纹管的底部固定在下底板上，环状质量块固定在上波纹管的顶端，设有内圆环磁铁的主质量单元位于上波纹管和下波纹管的连接处，与环状质量块共同构成拉拉环结构，在所述竖向运动模块的往复运动过程中，环状质量块和主质量单元在波纹管作用下协同运动，不断地将机械能传递给主质量单元，使得主质量单元获得更多的动能；
在所述金属外壳中，利用外侧永磁体基座和卡环固定设置多个外圆环永磁体，包括处在轴向不同位置上的第一圆环磁铁、第二圆环磁铁和第三圆环磁铁，由所述内圆环磁铁与外圆环永磁体构成双稳态结构；通过增加外圆环永磁体的数量相应增加结构稳态数目；
设置能量转化单元，包括在所述上波纹管和下波纹管的外表面贴附摩擦材料用于在振动过程中随着与波纹管的表面的接触和分离实现接触分离式摩擦发电。
本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点也在于：通过增加外圆环永磁体的数量相应增加结构稳态数目，实现超多稳态配置。
本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点也在于：调整各外圆环永磁体和内圆环磁铁的内外径条件，以及调整各外圆环永磁体之间的轴向间距，实现多稳态势垒的数目和大小配置。
本发明增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的特点也在于：在所述摩擦材料中贴附在波纹管的外表面的两个摩擦电极性不同的摩擦材料层分别是聚四氟乙烯薄膜层和硅胶薄膜层，所述聚四氟乙烯薄膜层和硅胶薄膜层分处在波纹管呈“V”形相邻的两道管壁上，在所述聚四氟乙烯薄膜层和硅胶薄膜层与对应位置的波纹管管壁之间设置铜箔电极。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明的结构设置能够实现将环境中低频、宽频条件下的振动能量转化为电能，有效提高低频条件下能量收集器的宽频输出性能。
2、针对本发明的结构设置，通过调整外圆环永磁体的数量能够相应增加结构稳态数目，通过调整外圆环永磁体和内圆环磁铁的内外径条件，以及调整各外圆环永磁体之间的轴向间距，能够实现多稳态势垒的数目和大小配置，极大地提高宽频响应特性。
3、本发明采用接触分离式的摩擦发电方式，相对压电片方式，能够获得更高的发电效率，低频响应效果更佳；
4、本发明采用两节波纹管连接，利用质量块与主质量单元的协同运动，使主质量块能够更好地实现跨越势垒，有效提高能量转换效率；
5、本发明以波纹管为主体结构，结构稳定，耐久性好；
6、本发明具有极好的同轴性，可以结合车辆阻尼器结构进行设计，可以实现自供电传感。
附图说明
图1为本发明外形示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图2a为本发明中永磁体配置的局部放大图；
图3为本发明中外侧永磁体装配结构爆炸图；
图4为本发明中主质量结构示意图；
图4a为本发明中主质量结构爆炸图；
图5为本发明中磁偶极子分析原理图；
图6a、图6b和图6c为本发明不同的多稳态配置方案示意图；
图7为本发明超多稳态方案示意图；
图8为本发明中增强型能量收集结构示意图
图8a为本发明中增强型能量收集结构动力学原理图；
图9为能量转化单元结构示意图。
图10为本发明所涉及的摩擦纳米发电原理图；
图11为本发明应用结构示意图；
图11a为图11所示应用内部结构示意图。
图中标号：010下底板，020上底板，030下金属圆筒，040上金属圆筒，050环状质量块，060导杆，070上波纹管，080下波纹管，090外侧永磁体基座，091外侧永磁体卡座，092第一圆环磁铁，093第一圆环磁体卡环，094第二圆环磁铁，094a第二圆环磁铁磁偶极子微元，095第二圆环磁铁卡环，096第三圆环磁铁，097圆环状压圈，100主质量单元，101内圆环磁铁，101A第二小直径圆环磁铁，101B第三小直径圆环磁铁，102固定环，103质量片，104螺钉，110能量转化单元，111铜箔电极，112聚四氟乙烯薄膜层，113硅胶薄膜层，121阻尼活塞，122阻尼弹簧，123阻尼器外壳。
具体实施方式
本实施例中增强型超多稳态宽频振动能量收集装置的结构形式是：
如图1和图2所示，由外侧永磁体基座090和分处在外侧永磁体基座090两端的下金属圆筒030和上金属圆筒040构成圆筒状金属外壳；在金属外壳的顶端和底端分别设置上底板020和下底板010，在金属外壳中，由上底板020和下底板010支撑有导杆060，构成沿导杆轴向上的竖向运动模块，在外界竖向激励条件下往复运动，其中外侧永磁体基座090、下金属圆筒030、上金属圆筒040、上底板020、下底板010、导杆060的制作材料采用铝合金，不影响磁场分布。
如图2所示，在金属外壳中，串联设置的上波纹管070和下波纹管080套装在导杆060上，上波纹管070的底部固定在下底板010上，环状质量块050固定在上波纹管070的顶端，设有内圆环磁铁101的主质量单元100位于上波纹管070和下波纹管080的连接处，与环状质量块050共同构成拉拉环结构，在竖向运动模块的往复运动过程中，环状质量块050和主质量单元100在波纹管作用下协同运动，不断地将机械能传递给主质量单元100，使得主质量单元100获得更多的动能，其中上波纹管070和下波纹管080均为橡胶材质，环状质量块050为镍铁合金。
如图2a和图3所示，在金属外壳中，利用外侧永磁体基座090和卡环固定设置多个外圆环永磁体，包括处在轴向不同位置上的第一圆环磁铁092、第二圆环磁铁094和第三圆环磁铁096，由内圆环磁铁101与外圆环永磁体构成双稳态结构；通过增加外圆环永磁体的数量相应增加结构稳态数目，其中，内圆环磁铁101固定在主质量单元100中部，外侧永磁体卡座091由外侧永磁体基座090支撑住，第一圆环磁铁092由外侧永磁体卡座091和第一圆环磁铁卡环093卡住，第二圆环磁铁094由第一圆环磁铁卡环093卡住，第三圆环磁铁096由第二圆环磁铁卡环095和圆环状压圈097卡住，由此实现对三个外侧永磁体的轴向和径向位移的限制，达到和内圆环磁铁101形成稳定的多稳态结构，其中外侧永磁体卡座091、第一圆环磁铁卡环093、第二圆环磁铁卡环095采用3D打印制作，材质为工程塑料，磁铁材质均为钕铁硼；如图2所示，设置能量转化单元110，包括在上波纹管070和下波纹管080的外表面贴附摩擦材料用于在振动过程中随着与波纹管的表面的接触和分离实现接触分离式摩擦发电。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
如图4和4a所示，主质量单元100位于上波纹管070和下波纹管080的连接处，包括内圆环磁铁101、质量片103和固定环102，四个螺钉104配合固定环102上的螺孔完成主质量单元的装配，将内圆环磁铁101和质量片103稳固地装在上波纹管070和下波纹管080的连接处，其中的质量片103是用来配重，其中质量片为镍铁合金材质。
通过增加外圆环永磁体的数量相应增加结构稳态数目，实现超多稳态配置。
调整各外圆环永磁体和内圆环磁铁101的内外径条件，以及调整各外圆环永磁体之间的轴向间距，实现多稳态势垒的数目和大小配置。
图5所示是针对环形磁铁多稳态结构的磁偶极子微元分析模型，其中，内圆环磁铁101的磁矩为且与第二圆环磁铁094同轴，竖向距离为z；第二圆环磁铁磁偶极子微元094a的磁矩为且与内圆环磁铁水平方向中心距离为x，第二圆环磁铁磁偶极子微元094a对于内圆环磁铁101的磁斥力为则第二圆环磁铁094对于内圆环磁铁101的磁斥力为：
式中：
μ0表示真空磁导率，其单位为N/A；
表示第二圆环磁铁094的磁矩，和单位均为A/m2；
x和z单位均为m，是竖直方向的单位向量；
则内圆环磁铁101的势能U(x，z)表达式为：
其中：k1是下波纹管080的等效刚度，其单位为N/m；dz是z的微分。
如图6a、图6b和图6c所示，不同配置的第一圆环磁铁092、第二圆环磁铁094和第三圆环磁铁096对应到不同数目的稳态以及变化的势垒，计算内圆环磁铁101的磁势能，通过势能曲线的稳态数目来确定系统参数。
图6a中，内圆环磁铁101的磁矩为3A/m2，第一圆环磁铁092的磁矩为4A/m2，下波纹管080的等效刚度218N/m，第一圆环磁铁092的内外径平均数为30mm时，可以构成较好的双稳态结构，如图6a中所示的平衡点1和平衡点2。
图6b中，内圆环磁铁101的磁矩为3A/m2，第一圆环磁铁092和第二圆环磁铁094的磁矩均为5A/m2，下波纹管080的等效刚度218N/m，第一圆环磁铁092和第二圆环磁铁094的内外径平均数均为30mm，第一圆环磁铁092和第二圆环磁铁094竖直方向间距为20mm时，可以构成较好的三稳态结构，如图6b中所示的平衡点1、平衡点2和平衡点3。
图6图c中，内圆环磁铁101的磁矩为3A/m2，第一圆环磁铁092和第三圆环磁铁096的磁矩为6A/m2，第二圆环磁铁094的磁矩为7.4A/m2，下波纹管080的等效刚度218N/m，第一圆环磁铁092、第二圆环磁铁094和第三圆环磁铁096的内外径平均数均为30mm，三者竖直方向相邻间距为18mm时，可以构成较好的四稳态结构，如图6c中所示的平衡点1、平衡点2、平衡点3和平衡点4。
对于双稳态配置，势垒高度为0.015J，对于三稳态配置，势垒高度为0.0025J，对于四稳态配置，势垒高度为0.00167J左右，可以看到势垒高度明显降低，也就说明了装置可以更好地实现低频条件下的宽频响应；上述仅为举例说明的三种稳态配置情况，通过改变外侧环形磁铁的数目和尺寸可以实现超多稳态，向着超低频能量收集的方向迈进。
如图7所示，通过增加主质量单元100的数目，包括增加的内圆环磁铁101A和内圆环磁铁101B，可以构成多自由度协同运动结构，同时这里的内环多磁铁动态多稳态方案，内圆环磁铁101、第二小直径圆环磁铁101A和第三小直径圆环磁铁101B之间也存在磁斥力，叠加第一圆环磁铁092、第二圆环磁铁094he第三圆环磁铁096构建的静态多稳态，既增加了系统模态个数，又增加了稳态数目，将大大改善结构的低频、宽频输出性能。
如图8和图8a所示，下底板010在外部环境激励P(t)下振动，下波纹管080等效刚度和阻尼分别为k1和c1，同时受到磁斥力Fm作用，环状质量块050和主质量单元100之间连接有等效刚度和阻尼分别为k2和c2的上波纹管080，直接反映了本发明的“拉拉环”增强型设计，二者协同运动，模态之间相互传递能量，环状质量块可以有效促进主质量跨越势垒，这对比于一般的双稳态结构，在低强度环境激励下会有更好的输出响应。
如图9和图10所示，在摩擦材料中贴附在波纹管的外表面的两个摩擦电极性不同的摩擦材料层分别是聚四氟乙烯薄膜层112和硅胶薄膜层113，聚四氟乙烯薄膜层112和硅胶薄膜层113分处在波纹管呈“V”形相邻的两道管壁上，在聚四氟乙烯薄膜层112和硅胶薄膜层113与对应位置的波纹管管壁之间设置铜箔电极111，摩擦纳米发电的原理图展示了在波纹管压缩和拉伸过程中，聚四氟乙烯薄膜层112和硅胶薄膜层113不断接触和分离，二者之间的电势差不断改变，形成了电子移动，依托铜箔电极111完成传递，形成电流i。
图11和图11a所示为本发明结合车用阻尼器进行能量收集的具体应用；整体包括阻尼器活塞121、阻尼弹簧122和阻尼器外壳123、四节波纹管包括两节上波纹管070和两节下波纹管080、环状质量块050、内圆环磁铁101、第一圆环磁铁092和第二圆环磁铁094，四节波纹管均套装在阻尼器外壳123外侧，环状质量块位于结构的正中间，主质量单元100在图中简化成了内圆环磁铁101，实际是由内圆环磁铁101和质量片103组成，第一圆环磁铁092和第二圆环磁铁094固定在结构的外壳壁上，与内圆环磁铁101构成多稳态结构，采用本发明的“拉拉环”设计，中间的环状质量块050同时拉动两侧的内圆环磁铁101，有效促进两个内圆环磁铁101跨越势垒，实现多稳态“阱间运动”，拥有较好的宽频响应能力，结构的整体性很强，适配度也较好，可以用于不同的环境条件下。
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