[发明专利]一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置及方法

说明书

本公开涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，具体的涉及一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置及方法。本发明公开了一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置，包括第一梁，第一梁的两端分别固定连接于固定基座上；第一永磁体固定于第一梁中部位置处，用于使第一梁产生振动变形；第一压电元件分别固定连接于第一梁靠近固定基座的端部，用于由第一梁的振动产生电能。可以在较低激励条件下达到双稳态的状态，实现跨阱运动，从而最终在较宽的频带下有较好的能量收集效果。能够收集较低频率和较宽频率范围的振动能量。

技术领域

本公开涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，具体的涉及一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置及方法。

背景技术

在无线传感网络中，无线传感器节点是核心硬件基础，因此保持无线传感器节点长期可靠工作是无线传感网络应用中必须满足的条件。目前，无线传感器节点大多采用电池供电的方式对其供电。但是由于电池容量的限制，与无线传感器节点本身寿命相比，电池的使用寿命太短，这就限制了无线传感器节点的实际工作寿命，同时也增加了更换电池的维护费用，不满足无线传感器网络长期稳定运行的要求。

为了满足无线传感器网络长期稳定运行的要求，无线传感器节点应能实现自供电。俘获振动能量并将其转化为电能是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。典型的压电式振动能量收集系统一般采用线性悬臂梁结构形式。传统的线性压电振动能量收集装置的工作频带主要集中在其结构的共振频率附近，这导致了传统线性结构只有较窄的工作频带。因此传统线性压电能量收集装置存在工作带宽窄，能量收集效率低的弊端。为了解决这一问题，学者们对拓展传统线性压电振动能量收集装置的工作频带展开了研究。

非线性振动能量收集系统根据系统势能函数可区分为单稳态和双稳态非线性系统，由于双稳态具有独特的双势阱特征，使得双稳态系统在外部特定激励下可以在两个阱之间进行高能阱间振荡(跨阱运动)。传统的线性系统其有效工作带宽只在系统固有频率附近，双稳态系统的阱间运动使具有较强的非线性，在特定条件振动激励下可实现大幅振动，即在非谐振频率频带处仍有大幅度的振动(结构弯曲变形)，这样使得双稳态非线性系统在宽频振动下具有更好的能量收集性能。但是，双稳态非线性系统只有在跨阱运动才能输出较大的电压或功率，其必须在较强激励条件下，即较大加速度振动下(2m/s²)。

屈曲结构的双稳态响应是通过施加预压力实现的，即对原结构施加大于屈曲载荷的轴向压力，使得屈曲梁在一阶屈曲模态下超过第一临界载荷，屈曲结构具有两个平衡的稳态位置。在受到外部特定条件激励时，系统在两个平衡位置之间进行快速切换(Snap-through)，从而提升能量收集性能。

发明内容

针对现有的技术方案的不足，本发明旨在提供一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置及方法，通过引入轴向预压力使M形梁发生屈曲产生双稳态，并通过引入的外部磁力与系统耦合达到提高系统的输出性能的目的，能够收集宽带低频的振动能量。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例提供了下述技术方案：

第一方面，本发明公开了一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置，包括第一梁，第一梁呈M形结构；第一梁的两端分别固定连接于固定基座上；第一永磁体固定于第一梁中部位置处；第一压电元件分别固定连接于第一梁靠近固定基座的端部，第一压电元件由第一梁的振动产生电能。

进一步的技术方案，第一压电元件通过粘合剂粘贴于第一梁上。

进一步的技术方案，第一压电元件的正负两极分别焊接连接导线。

更进一步的技术方案，导线与外部接口电路连接。

第二方面，本发明公开了一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置，包括第二梁，第二梁呈M形结构；第二梁的两端分别固定连接于固定基座上；第二永磁体固定于第二梁中部位置处；第二压电元件分别固定连接于第二梁靠近固定基座的端部，第二压电元件由第二梁的振动产生电能；第三永磁体位于第二梁正下方。