一种线性负刚度结构及大位移准零刚度装置

本发明涉及电磁式振动能量收集领域和准零刚度，尤其涉及一种线性负刚度结构及大位移准零刚度装置。

背景技术：

1、随着微电子技术的迅猛发展和物联网的快速推进，传感器功耗已经降至毫/微瓦级，使得通过捕获环境中的能量来实现传感器的自供电成为可行的方案。这一领域展现了巨大的潜力，国内外学者纷纷投入大量研究工作。

2、准零刚度隔振器采用正负刚度元件并联原理，同时具备高承载能力和低频振动隔离能力，受到了工业界和学术界的广泛关注。

3、振动能量俘获技术可将环境中的振动能量转换为电能，通过能量管理元件将这些能量存储，可用来为无线传感器和便携式电子设备供电，受到了学术界与工业界的广泛关注。

4、振动工程学报的论文《含凸轮－滚轮机构的准零刚度系统隔振特性实验研究》中公开，当滚轮位移在约-0.5～0.5范围内，系统的刚度为准零刚度，而当位移大于此范围，系统的正刚度占主要作用，此时系统不属于准零刚度。在位移较大即振动幅度较大的响应情况下，偏离平衡位置后刚度值迅速升高，不能很好地适应大振幅振动环境。如何将振动隔离与振动能量俘获结合起来成为当下隔振系统研究的关键问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种线性负刚度结构及大位移准零刚度装置，以解决大位移准零刚度振动能量俘获的问题。

2、本发明实施例提供了一种线性负刚度结构包括两个对称设置的单元，两个单元均包括三角板、滑动座、滚轮和水平弹簧；

3、滑动座上设有两个连接耳，两个连接耳上转动设置滚轮；

4、水平弹簧与滑动座配合设置；

5、水平弹簧通过推动滑动座，使滚轮与三角板抵接，保证提供线性负刚度。

6、在一种可能的实现方式中，三角板的截面为直角等腰三角形或钝角等腰三角形；

7、当三角板的截面为钝角等腰三角形时，钝角等腰三角形的两个锐角相等，且锐角均小于45度。

8、在一种可能的实现方式中，包括上述的线性负刚度结构、机电转换结构、振动箱、支撑底座和固定座；

9、支撑底座上设有导杆，振动箱设于导杆上，导杆穿出振动箱，导杆上套设有竖直弹簧，竖直弹簧位于支撑底座与振动箱之间，振动箱在竖直弹簧的支撑下做竖直方向的往复运动；

10、两个单元分别位于振动箱的不同侧；三角板设于振动箱上，三角板在振动箱的带动下，能够沿竖直方向往复运动；滚轮与三角板抵接；滑动座滑动设于支撑底座上；

11、机电转换结构分别与固定座和滑动座连接；

12、通过竖直弹簧提供正刚度，通过线性负刚度结构提供负刚度，两者结合实现准零刚度；通过机电转换结构完成振动能量俘获。

13、本发明实施例提供了一种大位移准零刚度装置，支撑底座上设有导轨，滑动座滑动设于导轨上，导轨的轴向为水平方向，滑动座能够在导轨上沿水平方向做往复直线运动。

14、在一种可能的实现方式中，机电转换结构的数量为两个，两个机电转换结构均包括线圈和磁铁，线圈设于相应的固定座上，磁铁设于相应的滑动座上，线圈与磁铁同轴，线圈的轴向与导轨的轴向平行，线圈位于相应的磁铁的外周；

15、通过磁铁在线圈轴向的往复运动，实现振动能量向电能的转换。

16、在一种可能的实现方式中，固定座的数量为两个，两个固定座沿水平方向分别设有套筒，线圈套设于套筒上，水平弹簧位于套筒内，水平弹簧的一端与相应的固定座连接，水平弹簧的另一端与磁铁连接、且在套筒内沿水平方向伸缩。

17、在一种可能的实现方式中，大位移准零刚度装置准零刚度条件为：

18、

19、式中，k1是竖直弹簧刚度，k2是水平弹簧刚度，是三角板的截面的锐角角度。

20、在一种可能的实现方式中，线圈为铜芯包线。

21、在一种可能的实现方式中，磁铁为铁氧体磁铁或稀土永磁铁。

22、在一种可能的实现方式中，滑动座的底部设有一层聚四氟乙烯。

23、本发明实施例提供一种线性负刚度结构及大位移准零刚度装置，通过竖直弹簧提供正刚度，线性负刚度结构提供负刚度，两者结合实现准零刚度。采用机电转换结构与线性负刚度结构连接，收集线性负刚度结构的振动能量，通过非接触的磁力耦合作用，将外界的振动转换到磁铁的振动，实现电磁式能量采集。

24、其中，通过线性负刚度结构中的三角板、滚轮与竖直弹簧配合设置，滚轮在三角板的两个锐角对应的边上能够移动较大的位移的同时使刚度接近零，从而能够在较宽范围的振动幅度下实现能量采集。由于零刚度的特性，该能量采集器能够承受较大范围的力而不会失去隔振效果，有利于系统承受不同强度的振动源。在零刚度区间内，机电转换结构可以更有效地将机械振动转换为电能，减少能量在传递过程中的损失，能够适应不同的振动环境，包括振动幅度和频率的变化，在多种工作条件下都能稳定工作。

技术特征：

1.一种线性负刚度结构，其特征在于，包括两个对称设置的单元，两个所述单元均包括三角板、滑动座、滚轮和水平弹簧；

2.如权利要求1所述的一种线性负刚度结构，其特征在于，所述三角板的截面为直角等腰三角形或钝角等腰三角形；

3.一种大位移准零刚度装置，其特征在于，包括权利要求1-2任一项所述的线性负刚度结构、机电转换结构、振动箱、支撑底座和固定座；

4.如权利要求3所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述支撑底座上设有导轨，所述滑动座滑动设于所述导轨上，所述导轨的轴向为水平方向，所述滑动座能够在所述导轨上沿水平方向做往复直线运动。

5.如权利要求4所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述机电转换结构的数量为两个，两个所述机电转换结构均包括线圈和磁铁，所述线圈设于相应的所述固定座上，所述磁铁设于相应的所述滑动座上，所述线圈与所述磁铁同轴，所述线圈的轴向与所述导轨的轴向平行，所述线圈位于相应的所述磁铁的外周；

6.如权利要求5所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述固定座的数量为两个，两个所述固定座沿水平方向分别设有套筒，所述线圈套设于所述套筒上，所述水平弹簧位于所述套筒内，所述水平弹簧的一端与相应的所述固定座连接，所述水平弹簧的另一端与所述磁铁连接、且在所述套筒内沿水平方向伸缩。

7.如权利要求6所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述大位移准零刚度装置准零刚度条件为：

8.如权利要求5所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述线圈为铜芯包线。

9.如权利要求5所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述磁铁为铁氧体磁铁或稀土永磁铁。

10.如权利要求5所述的一种大位移准零刚度装置，其特征在于，所述滑动座的底部设有一层聚四氟乙烯。

技术总结
本发明提供一种线性负刚度结构及大位移准零刚度装置。该线性负刚度结构包括两个单元，两个单元均包括三角板、滑动座、滚轮和水平弹簧；滑动座上设有两个连接耳，两个连接耳上转动设置滚轮；水平弹簧与滑动座配合设置；水平弹簧通过推动滑动座，使滚轮与三角板抵接，保证提供线性负刚度。该大位移准零刚度装置，包括线性负刚度结构、机电转换结构、振动箱、支撑底座和固定座；支撑底座上设有导杆，导杆上套设有竖直弹簧，三角板设于振动箱上，机电转换结构与固定座和滑动座连接；通过竖直弹簧提供正刚度，通过负刚度结构提供负刚度，两者结合实现准零刚度；通过机电转换结构完成振动能量俘获。本发明能够解决大位移准零刚度振动能量俘获的问题。

技术研发人员：牛江川,张婉洁,赵靖海,齐建辉,雍陈阳,齐辰炎,朱绪
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28