[发明专利]旋转环境下的自调谐宽频带双稳态能量俘获结构

说明书

本发明公开了一种旋转环境下的自调谐宽频带双稳态能量俘获结构，包括旋转平台和转轴；其中，旋转平台可以绕转轴转动；旋转平台上固定有一发电梁和一调谐梁，发电梁末端固定有若干端部永磁铁，调谐梁中间固定有若干中部永磁铁，发电梁上附着有压电材料。本发明可以通过离心力调节双稳态结构的共振频率，以使其与激励频率相匹配，实现共振频率的自调谐，大幅度拓宽该能量俘能结构的工作频带，为目前同类能量俘获结构工作频率与激励频率不匹配的问题提供了解决方法。

技术领域

本发明属于能量俘获技术领域，具体关于一种旋转环境下的自调谐宽频带双稳态能量俘获结构。

背景技术

近年来，物联网技术飞速发展，将微型传感设备嵌入到结构中并与互联网连接起来，通过微型传感设备采集结构的各类信息可以对结构的状态进行实时监测，实现对结构的智能化监控和管理。一般来说，此类微型传感设备体积小、功耗低，往往直接封装到物体内部，直接布置导线对其进行供电非常困难并可能会影响结构的正常功能，使用化学电池供电则要面临电池容量有限、更换成本高的难题。使用能量俘获技术将环境中的机械能转化为电能实现此类微电子设备的自供电可以延长其使用寿命并大幅节约使用成本。

旋转部件在机械结构中是广泛存在的，这些旋转部件作为很多机械结构的关键部件，往往长时间工作在交变载荷的环境下，容易产生疲劳破坏影响整个设备的正常使用，利用微型传感器对旋转部件进行结构健康检测可以有效的预防和检测结构故障。因此，有必要设计适用于旋转环境的能量俘获器以实现微型传感器的自供电。

传统的线性能量俘获结构仅在其共振频率附近具有较高的能量俘获效率，当激励频率稍微偏离其共振频率，其输出功率就会急剧降低。很多旋转部件的转速并不是恒定的，而是在一定范围内变化的，对于传统线性能量俘获结构，激励频率与其共振频率的不匹配是限制其实际应用的关键问题之一。

对于旋转运动，离心力的大小与转速成正比，这为设计旋转环境下的自调谐能量俘获结构提供了可能，在不同转速下通过不同大小的离心力使得能量俘获结构的性能发生改变以适应当前转速，能够实现宽转速范围内激励频率与能量俘获结构工作频率的自适应匹配。

现有研究表明，对于经典磁力双稳态能量俘获结构，在低激励水平下，两个磁铁间的距离会影响其共振频率。当两个磁铁相对面为排斥力时，随着两个磁铁间距离的增加，其共振频率也会提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转环境下的自调谐宽频带双稳态能量俘获结构，其通过离心力调节磁铁间距，改变该结构的共振频率和双稳态特征，使得其共振频率和当前激励频率相匹配，提高该结构在宽转速范围内的能量俘获效率。相比传统旋转环境下的能量俘获结构，本发明的能量俘获效率更高，工作频带更宽，在合理的参数下，其可以实现自调谐功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转环境下的自调谐宽频带双稳态能量俘获结构，其特征在于：包括旋转平台和转轴；其中，旋转平台可以绕转轴转动；旋转平台上固定有一发电梁和一调谐梁，发电梁末端固定有若干端部永磁铁，调谐梁中间固定有若干中部永磁铁，发电梁上附着有压电材料。

所述转轴与重力方向垂直，所述旋转平台在竖直平面内转动。

所述发电梁为悬臂梁，其上附着有压电材料。

所述调谐梁为两端固支梁。

所述端部永磁铁与中部永磁铁相对面为相同极性，产生排斥力。

所述端部永磁铁与中部永磁铁之间的距离会随着离心力的增加而增加。

所述中部永磁铁对端部永磁铁的排斥力使得发电梁呈现双稳态特征。

所述发电梁安装方向与所述调谐梁安装方向垂直。