一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置

本发明涉及振动及摩擦纳米发电，尤其涉及一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置。

背景技术：

1、振动在机械领域中是一种十分常见的现象，机械装备在工作时产生的振动，往往是有害的。要对有害的机械振动加以削弱和利用需要在减振结构上附加一个动力吸振器，使振动能量主要传递到动力吸振器上，结合摩擦纳米发电机(基于纳米级摩擦电效应将机械能转换成电能的能量收集器件)从而达到减振吸能的目的。

2、动力吸振器的工作方式能与摩擦纳米发电机的工作特性很好的结合，很好的实现了多余振动产生能量的回收利用，与此同时多余振动的吸收能够提高机械的鲁棒性。在吸收低频振动能量方面具有现有其他类型通过回收振动能量的发电机有更大的优势，现有电磁式振动能量收集装置主要适用于高频、大振幅的振动，如(【1】王飞and侯晓伟(2019)."mems电磁式振动能量收集器加工及性能测试."电子设计工程27(5):5.)，压电式装置收集中高频振动能量(佘引,et al.(2014)."mems压电阵列振动能量收集器."传感技术学报27(8):5.)，两者在收集低频振动能量方面均存在一定的不足。综上所述，此发明在收集低频段振动能量上具有明显优势。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术不足提出了一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，可以对垂直方向振动的产生加以削弱，摩擦生成的电能进行收集，提高了悬臂梁式吸振器的工作和对振动能量的收集效率。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、本发明提出了一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置主要包括：电介质膜(聚四氟乙烯ptfe)、电惰性膜(聚对苯二甲酸乙二醇酯petg)、铜膜、壳体、铰链、弹簧、悬臂梁。

4、悬臂梁、壳体、电介质膜，其中悬臂梁一端嵌入固定在壳体内，另一端为拱形凸面，凸面上覆盖电介质膜，此装置通过与振源固定连接，当振动时，悬臂梁吸收振源的能量，开始上下振动，同时悬臂梁一端拱形凸面与曲面凹块相互摩擦，将多余的振动能量转化为其他形式能量。

5、曲面凹块、铜膜、电惰性膜，其中曲面凹块左端为拱形凹面，凹面上半部覆盖铜膜，下半部覆盖电惰性膜，拱形凹面覆盖有两种膜，其作用是悬臂梁端部拱形凸面与拱形凹面相对运动时，改变铜膜与电介质膜之间的接触面积(水平滑动式)，从而两个表面间的相对运动使材料的上下背电极间产生感应电势差,然后感应电势差便会驱动电子通过外电路在两个电极间流动。

6、壳体、曲面凹块、两根弹簧、铰链，其中曲面凹块与壳体铰链连接，两根弹簧一端分别固定在曲面凹块左端上下两侧，另一端分别固定在壳体右端内表面上下两侧，两端弹簧在曲面凸块偏离平衡位置时提供扭矩，增加悬臂梁的恢复力，起到复位作用。

7、悬臂梁端部拱形凸面，作为摩擦发电组件又充当质量块，质量块质量可调，可以改变固有频率，是一种半主动式吸振装置，以适用于不同频率环境下工作。

8、曲面凹块与壳体间存在长度可调整的间隙，悬臂梁振动时曲面凹块以铰链为轴可以在设置的角度内转动，悬臂梁两侧对称设置的几何边界，可以限制悬臂梁的过大位移，不仅使整个装置的振动更加可控,还可以避免悬臂梁梁损坏，提高系统可靠性，悬臂梁振动的同时曲面凹块以铰链为轴被动的在一定转动角度内转动，使两个摩擦面之间更好的贴合。

9、本发明具有以下特点及有益效果：

10、本发明提出了一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，吸振结构改变系统的振动能量分布和传递特性，使振动能量主要集中于动力吸振器上，吸振减振的同时，增加振动能量转化为电能的能量总量。

11、因为复位弹簧和铰链的作用，使得曲面凹块可以在一定角度内自由转动，能够更好地贴合悬臂梁的拱形摩擦面，增加发电效率。

12、不同于其他悬臂式吸振器，因为存在摩擦作用及能量转换的功能，此悬臂式吸振器具有更好的吸振效果。

技术特征：

1.一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：悬臂梁(1)、壳体(2)、曲面凹块(3)、两根弹簧(4)、铜膜(5)、电介质膜(6)、铰链(7)、电惰性膜(8)，整体分为两个部分：由悬臂梁(1)、壳体(2)组成的吸振部分；由铜膜(5)、曲面凹块(3)、两根弹簧(4)、铜膜(5)、电介质膜(6)、铰链(7)、电惰性膜(8)组成的摩擦发电部分。

2.根据权利要求1所述的一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：悬臂梁(1)、壳体(2)、电介质膜(6)，悬臂梁(1)一端嵌入固定在壳体(2)内，另一端为拱形凸面，凸面上覆盖电介质膜(6)。

3.根据权利要求1所述的一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：曲面凹块(3)、铜膜(5)、电惰性膜(8)，曲面凹块(3)左端为拱形凹面，凹面上半部覆盖铜膜(5)，下半部覆盖电惰性膜(8)。

4.根据权利要求1所述的一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：壳体(2)、曲面凹块(3)、两根弹簧(4)、铰链(7)，曲面凹块(3)与壳体(2)铰链连接，两根弹簧(4)一端分别固定在曲面凹块(3)左端上下两侧，另一端分别固定在壳体(2)右端内表面上下两侧。

5.根据权利要求1所述的一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：所述悬臂梁(1)端部拱形凸面，大小、质量可以调整，作为悬臂梁(1)质量块及摩擦发电组件。

6.根据权利要求1所述的一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，其特征是：所述曲面凹块(3)与壳体(2)间存在长度可调整的间隙，悬臂梁(1)振动时曲面凹块(3)以铰链为轴可以在设置的角度内转动。

技术总结
本发明提出了一种具有悬臂梁结构的铰链式吸振能量收集装置，包括：悬臂梁、电介质膜（聚四氟乙烯PTFE）、电惰性膜（聚对苯二甲酸乙二醇酯PETG）、铜膜、壳体、弹簧、铰链、曲面凹块。壳体内一端固定悬臂梁；另一端通过铰链、弹簧与曲面凹块连接，曲面凹块的凹面一半覆盖铜膜，一半覆盖电惰性膜；悬臂梁拱形摩擦面覆盖电介质膜。本发明通过设置铰链式悬臂梁的结构设计，增加了摩擦面间的贴合度，提高发电效率，吸振的同时可以收集振动能量，提供了一种低成本、环保和可持续的吸振发电装置。

技术研发人员：庞纪超,刘子豪,黄胤强,欧阳华江
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：20221118
技术公布日：2024/1/12