一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法与流程

本发明涉及振动能量收集技术领域，具体涉及一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法。

背景技术：

在我们生活中存在着大量可收集的能量，如风能、太阳能、机械振动能等等，其中风能作为一种清洁能源而且随处可见，具有方便收集，能量密度高等特点。风在流动期间遇到结构体，在流固耦合的作用下，风能转化为结构物的机械振动能，再将这种振动能通过一定的能量转化方式将其转化为电能。这种由于风力使得结构物产生的振动我们称之为风致振动，通过一定的能量转换方式可将这种风致振动其转换为电能。将振动转换为电能的方式有多种，比如电磁式、压电式、静电式等方法，利用电磁感应原理、压电效应的原理将这种风致振动能转化为电能，具有结构简单加工方便等特点，这成为风致振动能量收集技术领域研究的热点。

目前，国内外学者也对风力能量的收集结构也进行了研究，但还普遍存在风致振动能量收集器的风致振动频率不高、工作风速范围不宽的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有风致振动能量收集器风致振动频率不高、工作风速范围不宽的技术问题，提供一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置，包括第一运动结构、第二运动结构、柔性扇叶和夹具体。所述的第一运动结构包括悬臂梁和压电陶瓷；悬臂梁的两侧面均固定压电陶瓷；悬臂梁的一端开设有过孔，另一端固定在夹具体上；柔性扇叶固定在悬臂梁开设过孔的一端，且柔性扇叶与过孔同轴设置；所述的柔性扇叶设有至少三片叶片；所述的第二运动结构包括空心管、端盖、第一固定永磁铁、第二固定永磁铁、矩形调频板和悬浮磁铁；所述的空心管和柔性扇叶均采用非铁磁材料；空心管的中间位置与悬臂梁的过孔固定；空心管的两端均固定有端盖；所述端盖的侧部开设有矩形凹槽，端盖内端设有一体成型调频凸台；调频凸台置于空心管内，并与空心管同轴设置；调频凸台的端面开设有圆柱孔，侧部开设有沿轴向等距排布且与圆柱孔连通的若干调频槽；所述的圆柱孔内放置有第一固定永磁铁，矩形凹槽内放置有第二固定永磁铁，其中一个调频槽内插有矩形调频板；第一固定永磁铁和第二固定永磁铁相互吸附；空心管内设有悬浮磁铁；悬浮磁铁与空心管两端的两个第一固定永磁铁相互排斥；空心管外壁位于悬臂梁的过孔两端位置处均固定有多匝感应线圈。

优选地，所述的夹具体采用非铁磁材料。

优选地，所述的空心管和端盖均采用铝或塑料。

优选地，所述悬浮磁铁的直径小于空心管内径，且大于空心管内径的一半。

优选地，所述的第一固定永磁铁、第二固定永磁铁和悬浮磁铁均采用ndfeb永磁材料。

优选地，所述多匝感应线圈的材料采用铜，截面呈圆形或矩形。

优选地，所述的两个多匝感应线圈通过导线引出与外部负载连接。

该基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置进行能量收集的方法，具体如下：

将夹具体固定，当柔性扇叶与外界流动的风力发生流固耦合时失稳发生振动，并对风力产生的振幅进行放大，传递给第一运动结构和第二运动结构。其中，柔性扇叶设计成多片叶片的形式，能收集外界不同方向的风致振动，使柔性扇叶的振幅增大。第一运动结构中，悬臂梁产生上下振动，使得压电陶瓷发生变形产生压电效应，实现风能转化为电能，柔性扇叶提高悬臂梁的振幅，提高压电陶瓷产生的电势差，从而提高输出电压。第二运动结构中，空心管产生上下振动，使空心管内的悬浮磁铁受到空心管两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合的排斥力作用，产生偏离平衡位置的振动，空心管外部多匝感应线圈中的磁通量发生变化，且多匝感应线圈随空心管上下振动过程中做切割磁感线运动，从而实现风能转化为电能，柔性扇叶提高悬浮磁铁的振动频率，增大多匝感应线圈的磁通变化率，从而增大感应电压；其中，根据外界风致振动的频率，将矩形调频板插入不同位置调频槽内，调节第一固定永磁铁和第二固定永磁铁与悬浮磁铁的距离，从而形成不同的固有频率，以适应不同的外界风致振动频率，提高悬浮磁铁的振幅，从而提高能量收集效率。

其中，第一运动结构的压电模型为

式中，mp为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态质量，y为两侧面均固定压电陶瓷的悬臂梁模态位移，为y对时间t的一阶导数，为y对时间t的二阶导数，ηp为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态等效阻尼系数，kp为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态线性系数，f0为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁的模态激励幅值，ω悬臂梁端部所受外部激励的角频率，μ为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁受风力作用的模态机电耦合系数，vp为压电陶瓷的输出电压，为vp对时间t的一阶导数，cp为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态等效电容，ip(t)为压电陶瓷在时间t时的输出电流；

第二运动结构的电磁耦合模型为

z＝z0cosωt(5)

式中，m为悬浮磁铁的质量，x为悬浮磁铁的位移，为x对时间t的一阶导数，为x对时间t的二阶导数，z为空心管的位移，为z对时间t的一阶导数，z0为在风力作用下的振动幅值，η为悬浮磁铁与两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合模态等效阻尼系数，k为两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合模态线性弹性系数，k3为两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合模态三次非线性弹性系数，m为第二运动结构的总质量，g为重力加速度，im为多匝感应线圈的感应电流，ri为多匝感应线圈的内阻，rl为外部负载的电阻，α为悬浮磁铁与两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合模态机电耦合系数。

本发明具有的有益效果：

本发明利用压电与电磁的耦合实现能量收集，也附带夹具体的机械振动能量收集功能，可以实现多振源的能量转换；其中，柔性扇叶能对多方向风力产生振动响应，并对风力产生的振幅进行放大，提高压电陶瓷产生的电势差，从而提高输出电压；空心管产生上下振动，使空心管内的悬浮磁铁受到空心管两端两个第一固定永磁铁和第二固定永磁铁组合的排斥力作用，产生偏离平衡位置的振动，空心管外部多匝感应线圈中的磁通量发生变化，且多匝感应线圈随空心管上下振动过程中做切割磁感线运动，从而实现风能转化为电能，柔性扇叶提高悬浮磁铁的振动频率，增大多匝感应线圈的磁通变化率，从而增大感应电压。进一步，本发明将矩形调频板插入不同位置的调频槽，可以调节第二固定永磁铁相对悬浮磁铁的距离，从而形成不同的固有频率，以适应不同的外界风致振动频率，提高悬浮磁铁的振幅，从而提高能量收集效率，调频方便，适用范围广，有利于推广。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图。

图2为本发明接外部负载的示意图。

图3为本发明的爆炸图。

图4为本发明中端盖、第一固定永磁铁、第二固定永磁铁与矩形调频板的装配图。

图5为本发明中柔性扇叶的结构立体图。

图中：1-柔性扇叶；2-多匝感应线圈；3-空心管；4-第一固定永磁铁；5-第二固定永磁铁；6-端盖；7-悬浮磁铁；8-矩形调频板；9-第一紧固件；10-压电陶瓷；11-悬臂梁；12-第二紧固件；13-夹具体；14-矩形凹槽；15-调频凸台；16-圆柱孔；17-调频槽；18-第一运动结构；19-第二运动结构。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例来对本发明进一步的详细描述。

如图1～5所示，一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置，包括第一运动结构18、第二运动结构19、柔性扇叶1和夹具体13。第一运动结构18包括悬臂梁11和压电陶瓷10；悬臂梁11的两侧面均固定压电陶瓷10；悬臂梁11的一端开设有过孔，另一端通过第二紧固件12固定在夹具体13上；柔性扇叶1通过第一紧固件9固定在悬臂梁11开设过孔的一端，且柔性扇叶1与过孔同轴设置；柔性扇叶1设有至少三片叶片；第二运动结构19包括空心管3、端盖6、第一固定永磁铁4、第二固定永磁铁5、矩形调频板8和悬浮磁铁7；空心管3和柔性扇叶1均采用非铁磁材料；空心管3的中间位置与悬臂梁11的过孔固定；空心管3的两端均固定有端盖6；端盖6侧部开设有矩形凹槽14，端盖6内端设有一体成型调频凸台15；调频凸台15置于空心管3内，并与空心管3同轴设置；调频凸台15的端面开设有圆柱孔16，侧部开设有沿轴向等距排布且与圆柱孔16连通的若干调频槽17；圆柱孔16内放置有第一固定永磁铁4，矩形凹槽14内放置有第二固定永磁铁5，其中一个调频槽17内插有矩形调频板8；第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5相互吸附；空心管3内设有悬浮磁铁7；悬浮磁铁7在空心管两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合的磁力作用下，可以在空心管的平衡位置保持静止；空心管3外壁位于悬臂梁11的过孔两端位置处均固定有多匝感应线圈2，以便于当悬浮磁铁7运动时，多匝感应线圈中磁通的变化率最大。

作为一个优选实施例，夹具体13采用非铁磁材料，以防止影响悬浮磁铁7的振动。

作为一个优选实施例，空心管3和端盖6均采用铝或塑料，以减少能量收集装置的质量。

作为一个优选实施例，悬浮磁铁7的直径小于空心管3内径，且大于空心管3内径的一半，以减少悬浮磁铁7在移动过程中与空心管3内壁的摩擦，同时防止悬浮磁铁7在运动过程中发生极性翻转。

作为一个优选实施例，第一固定永磁铁4、第二固定永磁铁5和悬浮磁铁7均采用ndfeb永磁材料，可提高可靠性和使用寿命。

作为一个优选实施例，多匝感应线圈2的材料采用铜，截面呈圆形或矩形。

作为一个优选实施例，两个多匝感应线圈通过导线引出与外部负载r连接。

该基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置进行能量收集的方法，具体如下：

将夹具体13固定，当柔性扇叶1与外界流动的风力发生流固耦合时失稳发生振动，并对风力产生的振幅进行放大，传递给第一运动结构18和第二运动结构19。其中，柔性扇叶1设计成多片叶片的形式，能收集外界不同方向的风致振动，使柔性扇叶的振幅增大。第一运动结构18中，悬臂梁11产生上下振动，使得压电陶瓷10发生变形产生压电效应，实现风能转化为电能，柔性扇叶1提高悬臂梁的振幅，提高压电陶瓷10产生的电势差，从而提高输出电压。第二运动结构19中，空心管3产生上下振动，使空心管3内的悬浮磁铁7受到空心管3两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合的排斥力作用，产生偏离平衡位置的振动，空心管3外部多匝感应线圈2中的磁通量发生变化，且多匝感应线圈随空心管3上下振动过程中做切割磁感线运动，从而实现风能转化为电能，柔性扇叶1提高悬浮磁铁7的振动频率，增大多匝感应线圈2的磁通变化率，从而增大感应电压(由电磁感应定律，磁通变化率越大，产生的感应电压越大)；其中，根据外界风致振动的频率，将矩形调频板8插入不同位置调频槽17内，调节第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5与悬浮磁铁7的距离，从而形成不同的固有频率，以适应不同的外界风致振动频率，提高悬浮磁铁的振幅，从而提高能量收集效率。可见，本发明采用柔性扇叶1结合压电-电磁耦合的方式提高了电能输出功率，且第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5与悬浮磁铁7的距离可调，拓宽了振动能量收集装置的工作带宽。

其中，第一运动结构的压电模型为

式中，mp为两侧面固定有压电陶瓷10的悬臂梁模态质量，y为两侧面均固定压电陶瓷10的悬臂梁模态位移，为y对时间t的一阶导数，为y对时间t的二阶导数，ηp为两侧面固定有压电陶瓷10的悬臂梁模态等效阻尼系数，kp为两侧面固定有压电陶瓷10的悬臂梁模态线性系数，f0为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁的模态激励幅值，ω悬臂梁端部所受外部激励的角频率，μ为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁受风力作用的模态机电耦合系数，vp为压电陶瓷10的输出电压，为vp对时间t的一阶导数，cp为两侧面固定有压电陶瓷10的悬臂梁模态等效电容，ip(t)为压电陶瓷10在时间t时的输出电流；

第二运动结构的电磁耦合模型为

z＝z0cosωt(5)

式中，m为悬浮磁铁的质量，x为悬浮磁铁的位移，为x对时间t的一阶导数，为x对时间t的二阶导数，z为空心管3的位移，为z对时间t的一阶导数，z0为空心管3在风力作用下的振动幅值，η为悬浮磁铁7与两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合模态等效阻尼系数，k为两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合模态线性弹性系数，k3为两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合模态三次非线性弹性系数，m为第二运动结构的总质量，g为重力加速度，im为多匝感应线圈2的感应电流，ri为多匝感应线圈2的内阻，rl为外部负载的电阻，α为悬浮磁铁7与两端两个第一固定永磁铁4和第二固定永磁铁5组合模态机电耦合系数。

以上实施例仅是对本发明的说明，并非限制本发明。以上结合附图对本发明已经做出详细的描述，本领域的研究技术人员应理解，在本发明的核心原理内，对本发明的修改、替换、改进等，都应包含在本发明的保护范围之内。