一种多方向振动能量回收结构的制作方法
专利名称：一种多方向振动能量回收结构的制作方法
一种多方向振动能量回收结构技术领域
本发明属于振动能量收集领域，涉及一种将外界振动能量转换为电能的结构，尤 其是指一种能够在不同振动环境下适应多方向的能量收集结构。
背景技术：
随着现代工业的迅猛发展，环境污染和能源短缺是当今世界各国面临的两大难 题，为了解决能源危机对经济发展和人们生活的影响，各国科技工作者开始探索新的绿色 能源。振动作为人们日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价 值已引起越来越多的科技研究者的关注和思考。
压电材料作为一种智能材料，具有正压电效应和逆压电效应，利用其正压电效应 可以将机械能转化为电能，而利用其逆压电效应可以将电能转化为机械能，于是人们想到 了利用压电材料的正压电效应来实现其发电这一思路。利用压电材料采集环境振动能量这 一技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成压电振动能量收集装置的各元器件的寿命， 没有额外消耗能源，绿色环保。
目前，已有的关于振动能量回收的结构大多是利用压电材料的正压电效应，通过 质量块将振动能量转换为质量块的动能，进而使压电材料产生变形，从而产生电能并通过 储能结构储存，这种压电式振动能量回收结构主要是单方向的，如悬臂梁结构、bimorph结 构、园膜结构等，其方向选择性很强，在存在多方向随机振动的情况下，这种方法回收的能 量十分有限。方向的选择性带来的另一问题是，在安装能量回收结构时必须注意环境振动 的方向，有时甚至需要专业人员才能完成。即使在安装时注意到环境振动的方向，一旦环境 发生变化，该结构的性能将大幅下降。
基于以上分析，本发明人针对现有的振动能量回收结构只对单一方向敏感、振动 能量回收效率不高等缺陷，提供一种具有优异效果的能量回收结构，本案由此产生。发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种多 方向振动能量回收结构，此种结构无论振动方向如何改变，或者在存在多方向振动的环境 下都能够高效率地收集振动能量。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是一种多方向振动能量回收结构，包括外壳、质量块、能量转换条、永磁体和电磁线圈；外 壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成；能量转换条的数目 与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的能量转换条由一预 弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量收集电极；永磁体 由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。
上述能量转换条的预弯弹性材料芯层上布设有调谐控制电路。
上述能量转换条为长方形。
上述能量转换条由一层预弯弹性材料芯层和两层压电材料层组成，且两层压电材 料层分别位于预弯弹性材料芯层的两侧，压电材料层由PVDF材料制成。
上述质量块由软磁材料制成，为球形结构或立方体结构。
上述永磁体为圆柱体结构或长方体结构。
上述电磁线圈为环形平面结构，由铜芯线制成。
采用上述方案后，本发明适应性强，环境振动方向的变化对其效率影响很小，在多 方向振动环采集振动能量的效率更高，由于综合使用了磁电转换结构，其构造和加工简单， 能量消耗非常小，进一步提高了能量收集效率。
图1是本发明的立体结构示意图； 图2是本发明的剖视图；图3是本发明显示电磁线圈与外壳结构的剖视图； 图4是本发明中能量转换条的结构示意图； 图5是图4的剖视图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的结构及工作原理进行详细说明。
配合图1所示，本发明提供一种多方向振动能量回收结构，包括外壳1、质量块2、 能量转换条3、永磁体4和电磁线圈5，以下分别介绍。
外壳1为中空的立体结构，其外部具有η个顶点(η为自然数)，在本实施例中，设 计为中空的正立方体结构，共具有6个外表面、8个顶点。
质量块2位于外壳1的内部中心，由软磁材料制成，可为球形结构或立方体结构， 并与外壳1的各顶角均有连接。
能量转换条3的数目与外壳1的顶角数目η —致，用于分别将质量块2与外壳1 的各顶角连接，组成对称结构，能量转换条3的形态可参考图4所示，呈长方形结构；所述的 能量转换条3为具有预弯弹性的金属条，配合图5所示，其结构可分为三层，包括位于中间 的预弯弹性材料芯层31和分别位于两侧的压电材料层32，其中，所述预弯弹性材料芯层31 内布设有调谐控制电极，其可自适应改变能量转换条3上的电压，以改变其刚度，进而改变 整个多方向振动能量回收结构的共振频率；而压电材料层32沿厚度方向极化，可采用质地 柔软、变形大、可以产生较大电荷输出的PVDF材料制作，且所述压电材料层32上布设有能 量收集电极(图中未示)。
永磁体4由强磁材料制成，整体形态可为圆柱体或长方体；所述永磁体4固定于质 量块2内部。
电磁线圈5安装于外壳1的外表面，如图2和图3所示，在本实施例中，电磁线圈5 为环形平面结构，具有两个抽头，其选用电阻率小的铜芯线制作，线圈的匝数可根据输出电 压要求和振动频率选择。
在上述结构中，可将外壳1、质量块2和能量转换条3组合作为机电转换装置，永 磁体4和电磁线圈5组合作为磁电转换装置，本发明综合了基于压电材料的机电转换结构和基于电磁感应原理的磁电转换结构，外壳1和质量块2可以看作刚体，这样能量转换条3 中的应力应变情况必须考虑。因此，需要用ADAMS建立整个结构的刚柔混合动力学模型， 模拟较复杂的动态情况，并将动力学计算结果送到MSC. Nastran中，深入研究结构的动力 学响应。通过以上分析研究不同方向振动作用下的振动和能量传递规律，以及不同结构参 数下振动能量的传递规律。以典型的公路桥梁振动环境作为本能量收集系统的输入激励， 建立不同参数包括质量块的质量和尺寸，压电能量转换条几何和力学参数等变化下的能量 输出关系。以及能量转换条输出的总能量最高为目标函数，优化结构的参数。将遗传算法 (GA, Genetic Algorithm)或粒子群优化算法(PSO, Particle Swarm Optimization)与有 限元分析方法相结合进行优化。在进行动力学分析时，可以先将能量转换条3的作用简化 成阻尼加弹簧的共同作用，以确定阻尼系数和弹性系数等优化参数，在对能量转换效率进 行实验分析时，外壳一质量块结构所获得的机械能可以通过测量其所受的各方向加速度， 通过计算得到。而要测量实际输出的电能，在不考虑后面充电电路的情况下，可以将每路的 输出分别单独接电阻负载进行测量再将其相加即可。
能量转换条3采用双层PVDF复合材料，PVDF材料质地柔软，变形大，可以产生较大 的电荷输出，而本实施例采用双层PVDF结构，可在相同变形条件下产生更多的能量输出。 能量转换条3的内芯采用金属弹性材料，其本身可以作为能量收集中的弹簧，同时，金属也 可以作为PVDF的一个电极，进行能量转换条研究时，首先应对这种结构的各个参数进行确 定。这类参数包括弯度，上下PVDF层及金属芯层的厚度，长，宽以及金属材料种类等，这需 要通过有限元分析软件，建立相应的力-电耦合模型，利用仿真软件对某些环境振动作用 下的能量转换进行仿真计算。为了实现预应力自适应调谐控制，首先通过分析建立PVDF的 压电驱动方程，在假设能量转换条两端相对位移为零的情况下，研究在PVDF上施加电场下 能量转换条3的弯曲变化情况以及电场作用下其刚度的变化。利用上面的动力学模型，得 到不同弹簧刚度下的共振频率的关系式，并由此最终得到施加电压-共振频率的关系式。 将输出电压的有效值作为反馈信号，自适应调节控制器的输出控制信号加到PVDF上。通过 自寻优，即始终保持能量转换条3上采集到的电压信号有效值最大为目标，进行共振频率 调节。通过对比实验，可以评估自适应调谐功能产生的效果。在相同输入激励下，先进行无 控下能量收集实验，测量其单位时间内收集到的能量，然后在有控下完成相应实验，将两组 实验数据对比。为了使调谐控制加在PVDF上的电压不影响振动激励下PVDF上所产生的电 压，在PVDF的同一面上布置两部分各种独立的电极。预应力调谐控制并不需要消耗很多能 量，因为其所加电压变化非常缓慢其上所消耗的能量几乎可以认为只是由于压电元件漏电 流所引起。
磁电转换结构比较简单。处于磁场中的一段导体切割磁感线时会产生感应电动 势，如果将导体作为电源与负载构成闭合回路，则会产生感应电流，或者使闭合回路中的磁 通量发生变化，闭合回路中就会产生感应电流，随着磁通量变化频率增大，或者线圈匝数增 多，感应电动势和感应电流就越大。这就是电磁感应原理。如图2所示，永磁体4固定在质 量块2内，质量块2为导磁材料(如纯铁)，质量块2受到环境振动激励时产生运动，永磁体 4随着质量块2 —起运动，可以多自由度感受多方向的振动，固定于立体外壳1的电磁线圈 5中的磁通量随着永磁体4的振动发生与振动频率一致的变化，六个线圈分别对不同方向 的振动方向敏感。每两个相对的线圈感受相同方向的振动。平面的电磁线圈5具有两个抽头，接入储电电路，构成闭合回路，对储能元件充电，或者直接给无线传感节点供电。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
权利要求
1.一种多方向振动能量回收结构，其特征在于包括外壳、质量块、能量转换条、永磁 体和电磁线圈；外壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成； 能量转换条的数目与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的 能量转换条由一预弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量 收集电极；永磁体由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。
2.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 的预弯弹性材料芯层上布设有调谐控制电路。
3.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 为长方形。
4.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 由一层预弯弹性材料芯层和两层压电材料层组成，且两层压电材料层分别位于预弯弹性材 料芯层的两侧，压电材料层由PVDF材料制成。
5.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述质量块由软 磁材料制成，为球形结构或立方体结构。
6.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述永磁体为圆 柱体结构或长方体结构。
7.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述电磁线圈为 环形平面结构，由铜芯线制成。
全文摘要
本发明公开一种多方向振动能量回收结构，包括外壳、质量块、能量转换条、永磁体和电磁线圈；外壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成；能量转换条的数目与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的能量转换条由一预弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量收集电极；永磁体由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。此结构无论振动方向如何改变，或者在存在多方向振动的环境下都能够高效率地收集振动能量。
文档编号H02K35/02GK102035432SQ20101060135
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者冯智凯, 吕文琪, 涨红, 董菁, 陈仁文 申请人:南京航空航天大学
一种多方向振动能量回收结构技术领域
本发明属于振动能量收集领域，涉及一种将外界振动能量转换为电能的结构，尤 其是指一种能够在不同振动环境下适应多方向的能量收集结构。
背景技术：
随着现代工业的迅猛发展，环境污染和能源短缺是当今世界各国面临的两大难 题，为了解决能源危机对经济发展和人们生活的影响，各国科技工作者开始探索新的绿色 能源。振动作为人们日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价 值已引起越来越多的科技研究者的关注和思考。
压电材料作为一种智能材料，具有正压电效应和逆压电效应，利用其正压电效应 可以将机械能转化为电能，而利用其逆压电效应可以将电能转化为机械能，于是人们想到 了利用压电材料的正压电效应来实现其发电这一思路。利用压电材料采集环境振动能量这 一技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成压电振动能量收集装置的各元器件的寿命， 没有额外消耗能源，绿色环保。
目前，已有的关于振动能量回收的结构大多是利用压电材料的正压电效应，通过 质量块将振动能量转换为质量块的动能，进而使压电材料产生变形，从而产生电能并通过 储能结构储存，这种压电式振动能量回收结构主要是单方向的，如悬臂梁结构、bimorph结 构、园膜结构等，其方向选择性很强，在存在多方向随机振动的情况下，这种方法回收的能 量十分有限。方向的选择性带来的另一问题是，在安装能量回收结构时必须注意环境振动 的方向，有时甚至需要专业人员才能完成。即使在安装时注意到环境振动的方向，一旦环境 发生变化，该结构的性能将大幅下降。
基于以上分析，本发明人针对现有的振动能量回收结构只对单一方向敏感、振动 能量回收效率不高等缺陷，提供一种具有优异效果的能量回收结构，本案由此产生。发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种多 方向振动能量回收结构，此种结构无论振动方向如何改变，或者在存在多方向振动的环境 下都能够高效率地收集振动能量。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是一种多方向振动能量回收结构，包括外壳、质量块、能量转换条、永磁体和电磁线圈；外 壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成；能量转换条的数目 与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的能量转换条由一预 弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量收集电极；永磁体 由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。
上述能量转换条的预弯弹性材料芯层上布设有调谐控制电路。
上述能量转换条为长方形。
上述能量转换条由一层预弯弹性材料芯层和两层压电材料层组成，且两层压电材 料层分别位于预弯弹性材料芯层的两侧，压电材料层由PVDF材料制成。
上述质量块由软磁材料制成，为球形结构或立方体结构。
上述永磁体为圆柱体结构或长方体结构。
上述电磁线圈为环形平面结构，由铜芯线制成。
采用上述方案后，本发明适应性强，环境振动方向的变化对其效率影响很小，在多 方向振动环采集振动能量的效率更高，由于综合使用了磁电转换结构，其构造和加工简单， 能量消耗非常小，进一步提高了能量收集效率。
图1是本发明的立体结构示意图； 图2是本发明的剖视图；图3是本发明显示电磁线圈与外壳结构的剖视图； 图4是本发明中能量转换条的结构示意图； 图5是图4的剖视图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的结构及工作原理进行详细说明。
配合图1所示，本发明提供一种多方向振动能量回收结构，包括外壳1、质量块2、 能量转换条3、永磁体4和电磁线圈5，以下分别介绍。
外壳1为中空的立体结构，其外部具有η个顶点(η为自然数)，在本实施例中，设 计为中空的正立方体结构，共具有6个外表面、8个顶点。
质量块2位于外壳1的内部中心，由软磁材料制成，可为球形结构或立方体结构， 并与外壳1的各顶角均有连接。
能量转换条3的数目与外壳1的顶角数目η —致，用于分别将质量块2与外壳1 的各顶角连接，组成对称结构，能量转换条3的形态可参考图4所示，呈长方形结构；所述的 能量转换条3为具有预弯弹性的金属条，配合图5所示，其结构可分为三层，包括位于中间 的预弯弹性材料芯层31和分别位于两侧的压电材料层32，其中，所述预弯弹性材料芯层31 内布设有调谐控制电极，其可自适应改变能量转换条3上的电压，以改变其刚度，进而改变 整个多方向振动能量回收结构的共振频率；而压电材料层32沿厚度方向极化，可采用质地 柔软、变形大、可以产生较大电荷输出的PVDF材料制作，且所述压电材料层32上布设有能 量收集电极(图中未示)。
永磁体4由强磁材料制成，整体形态可为圆柱体或长方体；所述永磁体4固定于质 量块2内部。
电磁线圈5安装于外壳1的外表面，如图2和图3所示，在本实施例中，电磁线圈5 为环形平面结构，具有两个抽头，其选用电阻率小的铜芯线制作，线圈的匝数可根据输出电 压要求和振动频率选择。
在上述结构中，可将外壳1、质量块2和能量转换条3组合作为机电转换装置，永 磁体4和电磁线圈5组合作为磁电转换装置，本发明综合了基于压电材料的机电转换结构和基于电磁感应原理的磁电转换结构，外壳1和质量块2可以看作刚体，这样能量转换条3 中的应力应变情况必须考虑。因此，需要用ADAMS建立整个结构的刚柔混合动力学模型， 模拟较复杂的动态情况，并将动力学计算结果送到MSC. Nastran中，深入研究结构的动力 学响应。通过以上分析研究不同方向振动作用下的振动和能量传递规律，以及不同结构参 数下振动能量的传递规律。以典型的公路桥梁振动环境作为本能量收集系统的输入激励， 建立不同参数包括质量块的质量和尺寸，压电能量转换条几何和力学参数等变化下的能量 输出关系。以及能量转换条输出的总能量最高为目标函数，优化结构的参数。将遗传算法 (GA, Genetic Algorithm)或粒子群优化算法(PSO, Particle Swarm Optimization)与有 限元分析方法相结合进行优化。在进行动力学分析时，可以先将能量转换条3的作用简化 成阻尼加弹簧的共同作用，以确定阻尼系数和弹性系数等优化参数，在对能量转换效率进 行实验分析时，外壳一质量块结构所获得的机械能可以通过测量其所受的各方向加速度， 通过计算得到。而要测量实际输出的电能，在不考虑后面充电电路的情况下，可以将每路的 输出分别单独接电阻负载进行测量再将其相加即可。
能量转换条3采用双层PVDF复合材料，PVDF材料质地柔软，变形大，可以产生较大 的电荷输出，而本实施例采用双层PVDF结构，可在相同变形条件下产生更多的能量输出。 能量转换条3的内芯采用金属弹性材料，其本身可以作为能量收集中的弹簧，同时，金属也 可以作为PVDF的一个电极，进行能量转换条研究时，首先应对这种结构的各个参数进行确 定。这类参数包括弯度，上下PVDF层及金属芯层的厚度，长，宽以及金属材料种类等，这需 要通过有限元分析软件，建立相应的力-电耦合模型，利用仿真软件对某些环境振动作用 下的能量转换进行仿真计算。为了实现预应力自适应调谐控制，首先通过分析建立PVDF的 压电驱动方程，在假设能量转换条两端相对位移为零的情况下，研究在PVDF上施加电场下 能量转换条3的弯曲变化情况以及电场作用下其刚度的变化。利用上面的动力学模型，得 到不同弹簧刚度下的共振频率的关系式，并由此最终得到施加电压-共振频率的关系式。 将输出电压的有效值作为反馈信号，自适应调节控制器的输出控制信号加到PVDF上。通过 自寻优，即始终保持能量转换条3上采集到的电压信号有效值最大为目标，进行共振频率 调节。通过对比实验，可以评估自适应调谐功能产生的效果。在相同输入激励下，先进行无 控下能量收集实验，测量其单位时间内收集到的能量，然后在有控下完成相应实验，将两组 实验数据对比。为了使调谐控制加在PVDF上的电压不影响振动激励下PVDF上所产生的电 压，在PVDF的同一面上布置两部分各种独立的电极。预应力调谐控制并不需要消耗很多能 量，因为其所加电压变化非常缓慢其上所消耗的能量几乎可以认为只是由于压电元件漏电 流所引起。
磁电转换结构比较简单。处于磁场中的一段导体切割磁感线时会产生感应电动 势，如果将导体作为电源与负载构成闭合回路，则会产生感应电流，或者使闭合回路中的磁 通量发生变化，闭合回路中就会产生感应电流，随着磁通量变化频率增大，或者线圈匝数增 多，感应电动势和感应电流就越大。这就是电磁感应原理。如图2所示，永磁体4固定在质 量块2内，质量块2为导磁材料(如纯铁)，质量块2受到环境振动激励时产生运动，永磁体 4随着质量块2 —起运动，可以多自由度感受多方向的振动，固定于立体外壳1的电磁线圈 5中的磁通量随着永磁体4的振动发生与振动频率一致的变化，六个线圈分别对不同方向 的振动方向敏感。每两个相对的线圈感受相同方向的振动。平面的电磁线圈5具有两个抽头，接入储电电路，构成闭合回路，对储能元件充电，或者直接给无线传感节点供电。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
权利要求
1.一种多方向振动能量回收结构，其特征在于包括外壳、质量块、能量转换条、永磁 体和电磁线圈；外壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成； 能量转换条的数目与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的 能量转换条由一预弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量 收集电极；永磁体由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。
2.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 的预弯弹性材料芯层上布设有调谐控制电路。
3.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 为长方形。
4.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述能量转换条 由一层预弯弹性材料芯层和两层压电材料层组成，且两层压电材料层分别位于预弯弹性材 料芯层的两侧，压电材料层由PVDF材料制成。
5.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述质量块由软 磁材料制成，为球形结构或立方体结构。
6.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述永磁体为圆 柱体结构或长方体结构。
7.如权利要求1所述的一种多方向振动能量回收结构，其特征在于所述电磁线圈为 环形平面结构，由铜芯线制成。
全文摘要
本发明公开一种多方向振动能量回收结构，包括外壳、质量块、能量转换条、永磁体和电磁线圈；外壳为中空的立体结构，质量块位于外壳内部中心位置，由软磁材料制成；能量转换条的数目与外壳的顶点数目一致，并将质量块与外壳的各顶点分别连接，所述的能量转换条由一预弯弹性材料芯层和至少一压电材料层组成，且压电材料层上布设有能量收集电极；永磁体由强磁材料制成，固定于质量块内部，而电磁线圈固定于外壳的外表面。此结构无论振动方向如何改变，或者在存在多方向振动的环境下都能够高效率地收集振动能量。
文档编号H02K35/02GK102035432SQ20101060135
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者冯智凯, 吕文琪, 涨红, 董菁, 陈仁文 申请人:南京航空航天大学
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