[发明专利]一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法

权利要求书

1.一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集方法，其特征在于：采用的能量收集装置包括第一运动结构、夹具体、第二运动结构和柔性扇叶；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；

该能量收集方法具体如下：

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，m_p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，η_p为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态等效阻尼系数，K_p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，V_P为压电陶瓷的输出电压，为V_P对时间t的一阶导数，C_p为两侧面固定有压电陶瓷的悬臂梁模态等效电容，I_P(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为空心管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，i_m为多匝感应线圈的感应电流，R_i为多匝感应线圈的内阻，R_l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。

2.根据权利要求1所述一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集方法，其特征在于：所述的夹具体采用非铁磁材料。