一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置

摘要

本发明提供的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，包括振动能量收集器、外框、配重质量块和弹性结构，外框为U性框架结构，其两边为导轨杆，导轨杆滑动连接弹力结构；配重质量块两端分别与两个弹力结构连接；配重质量块中部与振动能量收集器一端固定连接；振动能量收集器包括悬臂梁、调频质量块和附加质量块；调频质量块固定在悬臂梁末端；附加质量块中间具有贯穿槽，供所述悬臂梁穿过所述贯穿槽与附加质量块不固定连接，悬臂梁末端的调频质量块宽度尺寸大于附加质量块中间的贯穿槽；本发明自调频振动能量收集装置可以调节振动能量收集器固有频率，实现与转动激励频率相匹配，增加振动能量收集器工作频带宽度。

权利要求

1.一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于，包括：振动能量收集器、外框、配重质量块和弹力结构；

外框为U性框架结构，外框两边为导轨杆，导轨杆滑动连接有弹力结构；

配重质量块两端分别与两个弹力结构连接，可在外框的导轨杆上压缩弹力结构滑动；

配重质量块中部与振动能量收集器一端固定连接；

振动能量收集器包括悬臂梁、调频质量块和附加质量块；调频质量块固定在悬臂梁末端；附加质量块中间具有贯穿槽，供所述悬臂梁穿过所述贯穿槽与附加质量块不固定连接，悬臂梁末端的调频质量块宽度尺寸大于附加质量块中间的贯穿槽；

所述附加质量块与所述配重质量块之间由四根对称的不可伸长的柔性绳连接；

所述振动能量收集器通过外框固定于旋转机构上，当振动能量收集器随旋转机构转动2

时，振动能量收集器受到激励加速度幅值为1g（g=9.8m/s）、激励频率大小为旋转机构的转动频率的激励而发生振动，实现电能输出。

2.根据权利要求1所述的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于，所述导轨杆内部为凹槽结构，通过凹槽结构固定弹力结构。

3.根据权利要求1所述的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于，所述弹力结构为弹簧。

4.根据权利要求3所述的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于，所述弹簧为变节距螺旋型非线性压缩弹簧或截锥形非线性压缩弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁为一端宽另一端窄的结构或为长方形结构。

6.根据权利要求1所述一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于：所述振动能量收集器是压电振动能量收集器、电磁振动能量收集器或磁致伸缩振动能量收集器。

7.根据权利要求1所述一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，其特征在于：所述振动能量收集器是压电振动能量收集器，所述悬臂梁为压电悬臂梁，所述压电悬臂梁上的压电层的上、下表面都分布电极的压电材料，电能由上、下表面电极输出。

说明书

一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置

技术领域

[0001] 本发明涉及能量收集技术领域，具体的说是涉及一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置。

背景技术

[0002] 将环境中的振动能转化为电能的振动能量收集器，具有寿命长、体积小、重量轻、能量密度高等优点，是取代传统化学能电池实现对微电子器件与系统供电最有希望的技术
方案之一，在学术界和工业界都引起了极大的兴趣。

[0003] 高性能输出的振动能量收集器要求振动能量收集器同时具有高的振动能量获取和振动能量转换能力，基于共振效应的振动能量收集器在谐振时能量获取效率高，也是目
前振动能量收集器主要的振动能量获取方式。然而，基于共振效应的振动能量收集器只能
在较窄的频率范围内（1Hz左右）具有较好的振动能量获取能力，实际环境振动源的振动频
率通常在较宽的频率范围内随机变化。因此，振动能量收集器的工作频率与激励频率存在
不匹配的矛盾，导致振动能量收集器输出性能低、工作频带窄，是制约振动能量收集器实用
化的关键因素。

[0004] 近年来，国内外学者将目光转向转动环境，利用转动离心力调节振动能量收集器固有频率，以期实现与激励频率相匹配，如天津大学李一博团队（仪器仪表学报，2019, 40
(7): 73‑80）对离心力改变振动能量收集器谐振频率进行了研究，提出通过调谐因子对自
调谐的性能进行量化，将多个关键设计参数集中到调谐因子中，并进行了实验验证。研究结
果表明，振动能量收集器仅在某一点处于谐振转态，其他情况都是接近谐振行为，且调谐因
子越大，频带越宽，但输出性能降低。中国台湾中山大学Wang Yu‑Jen课题组（Sensors and 
Actuators A: Physical. 2019(285):25‑34）基于离心力改变悬臂梁截面惯性矩调节振动
能量收集器共振频率的方法提出了自调频振动能量收集器新结构。但该结构引入滚柱轴
承，增加了结构的复杂度；同时该结构中的梯形梁在滚柱轴承中随着车速的变化来回移动，
容易破坏压电材料或压电材料表面的电极，降低了器件可靠性低。英国伯明翰大学
Panagiotis Alevras课题组（Journal of Sound and Vibration 444 (2019) 176‑196）也
提出了基于离心力改变梁应力的自调频电磁振动能量收集器结构。南京邮电大学邓丽城课
题组（专利申请公布号：CN 110868101 A）提出了一种旋转式自调频压电振动能量收集器，
通过离心力改变质量块质心在主梁上的位置，使压电悬臂梁的有效长度发生变化，从而达
到调节压电振动能量收集器谐振频率的目的。该方法可以实现压电振动能量收集器固有频
率随着转动激励频率的变化而变化，但要实现频率在较大频率范围内匹配，对弹簧的设计
要求高。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，利用转动过程中，振动能量收集装置中的振动能量收集器自身所受的离心力，改变振
动能量收集器的转动半径，从而改变悬臂梁所受的离心力，进而调节振动能量收集器的固
有频率，同时通过转动过程中调频质量块所受的离心力，对压电振动能量收集器的固有频
率进行调节，最终实现与转动激励频率相匹配，增加振动能量收集器的工作频带范围、提高
振动能量收集器的输出性能。

[0006] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明是一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置，包括振动能量收集器、外框、配重质量块和弹力结构；

[0008] 所述外框为U性框架结构，所述外框两边为导轨杆，导轨杆滑动连接有弹力结构；

[0009] 所述配重质量块两端分别与两个弹力结构连接，可在外框的导轨杆上压缩弹力结构滑动；

[0010] 所述配重质量块中部与振动能量收集器一端固定连接；振动能量收集器包括悬臂梁、调频质量块和附加质量块；所述调频质量块固定在悬臂梁末端；所述附加质量块中间具
有贯穿槽，可供所述悬臂梁穿过所述贯穿槽，从而与附加质量块不固定连接，悬臂梁末端的
调频质量块宽度尺寸大于附加质量块中间的贯穿槽；

[0011] 自调频振动能量收集装置使用时，通过外框将整个装置固定安装在旋转机构上，当旋转机构转动时，所述振动能量收集器在转动激励作用下发生振动而实现能量收集；同
时，所述的振动能量收集器在离心力作用下，带动配重质量块压缩弹力结构，进而改变振动
能量收集器的转动半径，使悬臂梁所受离心力随之发生变化，从而改变振动能量收集器的
固有频率，最终实现与转动激励频率相匹配，增加振动能量收集器的工作频带宽度。

[0012] 优选的，所述附加质量块与所述配置质量块之间由四根对称的不可伸长的柔性绳连接。

[0013] 优选的，所述导轨杆内部为凹槽结构，通过凹槽结构固定弹力结构；

[0014] 优选的，所述弹力结构为弹簧。

[0015] 进一步优选的，所述弹簧为变节距螺旋型非线性压缩弹簧或截锥形非线性压缩弹簧。

[0016] 优选的，所述悬臂梁为一端宽另一端窄的结构或为长方形结构。

[0017] 优选的，所述振动能量收集器是压电振动能量收集器、电磁振动能量收集器或磁致振动能量收集器。

[0018] 进一步优选的，所述振动能量收集器是压电振动能量收集器，所述悬臂梁为压电悬臂梁，所述压电悬臂梁上的压电层的上、下表面都分布电极的压电材料，电能由上、下表
面电极输出。

[0019] 本发明的有益效果是：

[0020] （1）本发明的振动能量收集器所受的离心力，使配重质量块压缩弹力结构，改变振动能量收集器的转动半径，使悬臂梁所受离心力随之发生变化，最终使振动能量收集器的
固有频率发生变化，而达到调节振动能量收集器固有频率，实现与转动激励频率相匹配的
目的，增加振动能量收集器的工作频带宽度；

[0021] （2）本发明的附加质量块与悬臂梁通过附加质量块上的贯穿槽连接但不固定，同时附加质量块与配重质量块之间由四根对称的不可伸长的柔性绳连接，此设计使附加质量
块所受的大的离心力全部由不可伸长的柔性绳承担，从而避免该离心力对悬臂梁的破坏，
提高器件的可靠性；

[0022] （3）本发明的调频质量块固定在悬臂梁末端，可以更加方便的调节悬臂梁所受的离心力，使振动能量收集器固有频率能够在更大范围了与转动激励频率相匹配，增大器件
的适用范围。

附图说明

[0023] 图1是本发明应用于旋转环境的自调频压电振动能量收集装置整体结构示意图。

[0024] 图2是本发明应用于旋转环境的自调频压电振动能量收集装置体结构的爆炸图。

[0025] 图3 是本发明自调频压电振动能量收集装置的安装示意图。

[0026] 图4 是压电悬臂梁为长方形的自调频压电振动能量收集装置的结构示意图。

[0027] 图5 是本发明弹力结构为截锥型非线性弹簧的结构示意图。

[0028] 图6是本发明振动能量收集器在不同转动半径下的固有频率随转动激励频率变化关系曲线。

[0029] 图7 是本发明振动能量收集器固有频率与转动激励频率相匹配时，转动半径与转动激励频率关系曲线。

[0030] 图8 是本发明为实现图7中转动频率和振动能量收集器半径的对应关系所要求的弹簧特性曲线。

具体实施方式

[0031] 以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，
在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些
习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

[0032] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

[0033] 请结合参阅图1‑图2，图1和图2分别为本发明提供的一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置的一种较佳实施例的结构示意图和爆炸图，一种应用于旋转环境的自
调频振动能量收集装置包括：振动能量收集器5、外框8、配重质量块6和弹簧7；

[0034] 在具体实施过程中，外框8为U性框架结构，外框8两边为导轨杆9，导轨杆内部为导轨槽10，导轨槽10一端固定连接弹簧7；

[0035] 配重质量块6两端分别与两个弹簧7连接，可以在导轨杆9上压缩弹簧7沿外框的导轨槽10滑动；

[0036] 配重质量块6中部与振动能量收集器5一端固定连接；从而，配重质量块6可带动振动能量收集器5在导轨杆9上压缩弹簧7沿外框的导轨槽10滑动；

[0037] 振动能量收集器5包括悬臂梁1、调频质量块3和附加质量块2；调频质量块3固定在悬臂梁1末端；附加质量块2中间具有贯穿槽，可供所述悬臂梁1穿过贯穿槽；从而与附加质
量块2不固定连接；悬臂梁1末端的调频质量块3其宽度尺寸大于附加质量块2中间的贯穿
槽，保证振动能量收集器5转动时，附加质量块2不会被甩出，同时所述附加质量块2与所述
配置质量块6之间由四根对称的不可伸长的柔性绳4连接；

[0038] 附加质量块2与压电悬臂梁1通过附加质量块上的贯穿槽连接但不固定，同时附加质量块与配重质量块之间由四根对称的不可伸长的柔性绳连接，此设计可以将附加质量块
所受的大的离心力全部由不可伸长的柔性绳承担，从而避免该离心力对压电悬臂梁的破
坏，提高了器件的可靠性。

[0039] 调频质量块3固定在压电悬臂梁末端，其目的是更加方便的调节压电悬臂梁所受的离心力，从而使振动能量收集器固有频率能够在更大范围了与转动激励频率相匹配，增
大器件的适用范围。

[0040] 需要说明的是：弹簧7可以由其他具有弹性的结构替代，能够满足配重质量块带动振动能量收集器在导轨杆上沿外框滑动即可。

[0041] 需要说明的是：悬臂梁1可以为长方形结构如图4所示，或者是根据实际需要确定的其他形状。

[0042] 需要说明的是：振动能量收集器5可以是压电振动能量收集器、电磁振动能量收集器或磁致振动能量收集器，本实施例中的振动能量收集器5同样适用于其他振动能量收集
器。

[0043] 需要说明的是：若振动能量收集器是压电振动能量收集器5，则所述悬臂梁1为压电悬臂梁，压电悬臂梁上的压电层的上、下表面都分布电极的压电材料，可以是锆钛酸铅
PZT、氮化铝AlN、氧化锌ZnO、氮化铝钪ScxAl1‑xN等，电能由上、下表面电极输出。

[0044] 需要说明的是：弹簧7可以是如图1所示的变节距离螺旋型非线性弹性或如图5所示的截锥螺旋型非线性弹簧，也可以是根据实际需要确定的弹簧。

[0045] 以下以压电振动能量收集器组成的自调频振动能量收集装置为例，阐述其实际应用过程及原理：如图3所示，振动能量收集器5通过外框8固定于旋转机构11上，当振动能量
2
收集器5随旋转机构11转动时，振动能量收集器5受到激励加速度幅值为1g（g=9.8m/s）、激
励频率大小为旋转机构的转动频率的激励而发生振动，实现电能输出；当振动能量收集器5
的谐振频率与转动频率基本一致时，振动能量收集器5发生谐振，输出大的电能；随着转动
机构转动频率增大，所述振动能量收集器5受到的离心力增大，使所述配重质量块6压缩弹
簧7而沿着导轨杆9滑动，改变振动能量收集器5的转动半径，随之改变压电悬臂梁1所受的
离心力，从而调整振动能量收集器5的固有频率，使其于转动激励频率相匹配，从而达到拓
展振动能量收集器5的工作频率范围的目的。

[0046] 图6‑8所示，在旋转机构转动频率为10 19Hz范围内，所述的配重质量块6在离心力~
作用下沿导轨杆9压缩弹簧7滑动，改变振动能量收集器5的转动半径，使振动能量收集器5
固有频率与转动频率实现了匹配。图6 是不同转动半径下振动能量收集器固有频率随转动
激励频率变化关系曲线，其中的理想曲线是达到频率匹配的目标曲线，理想曲线与不同半
径下的曲线的交点，就是在该半径下频率匹配的点，图7根据图6给出了振动能量收集器固
有频率与转动激励频率相匹配时，不同转动激励频率下振动能量收集器所对应的半径大
小；图8给出了为实现图7中转动频率和振动能量收集器半径的对应关系所要求的弹簧特性
曲线。

[0047] 对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进
行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合
的，均在本发明的保护范围之内。