CN108832842B - 一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，涉及可再生能源和微功率发电技术领域，能够自动收集水平面内的振动能，又能够稳定可靠运行，且加工使用成本低。本发明包括：用于摆动的质量块1、牵引质量块1的摆线2、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、用于机电耦合转换的压电元件5、第一永磁体6和第二永磁体7；质量块1构成振荡结构中的摆球；第一悬臂梁3的刚度小于第二悬臂梁4，第一悬臂梁3和质量块1及摆球2共同构成振荡结构；第二悬臂梁4和压电元件5构成用于发电振荡结构的压电悬臂梁；第一永磁体6和第二永磁体7平行放置，并构成一对非线性互斥力。本发明适用于水平面内任一方向的振动能的自动收集。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源和微功率发电技术领域，尤其涉及一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器。
背景技术
环境能量收集技术是一种将周围环境中某种或几种能量源,通过一定的方式转化为电能的技术。目前大量应用在了共享单车、购物车等共享式设备上,用于智能锁设备供电,避免了经营者需要每天大批量更换电池而导致的巨额维护费用。在这其中，利用压电材料的正压电效应，将环境振动机械能转化为电能的压电发电器，获得了绝大多数学者的青睐。
为了最大化机电耦合效率，往往要求收集器自身的固有频率与环境振源频率匹配。实际应用中，相对于压电和电磁式发电机，存在发电功率特别低的问题。且由于压电电磁发电器的发电功率是随振动频率的增长而提高的，以电磁发电器为例，为了提高振动频率，往往需要通过设计复杂的齿轮增速装置(比如行星齿轮)来提高转动频率以提高电功率，这就导致了成本较高的问题，难以快速形成产业化。因此，如何设计一种结构相对简单，相比加工较齿轮增速设计而言更简单廉价的压电发电器方案，成为了本领域内急需解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，能够稳定可靠运行，且加工使用成本低，又能够自动收集水平面内任一方向的振动能。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，包括：用于摆动的质量块(1)、牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁 (4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)、第一永磁体(6)和第二永磁体(7)；质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线；第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧；第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成振荡结构压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。
具体的，在所述振荡结构中：第二永磁体(7)固定在第一悬臂梁(3)的自由端，第二永磁体(6)固定在第二悬臂梁(4)的自由端。第二悬臂梁(4) 为薄片状，第一悬臂梁(3)为薄片状的U型框架，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第二悬臂梁(4)内嵌在第一悬臂梁(3)结构中。
可选的，在所述振荡结构中：第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并列分布在固定基础的一端，在初始状态下，第二永磁体(6)和第二永磁体(7)的几何中心点应处于同一水平面上。在所述振荡结构中：第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)都为薄片状，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第一悬臂梁(3) 与第二悬臂梁(4)相互平行布置。
本发明实施例提供的一种水平方向超低频能量收集的升频式压电发电器，首先利用非线性弹簧摆原理，将与摆动固有频率匹配的低频振源提升2倍，即第一悬臂梁(3)在其固有频率处大幅振荡；然后利用二自由度立方非线性原理，通过非线性磁力，进一步提升振源频率至6倍，即第二悬臂梁(4)在其固有频率处大幅振荡。由于第二悬臂梁(4)根部集成有压电元件，最终输出的电压频率将等于第二悬臂梁(4)的振荡频率，即为最初环境振源频率的6倍。从而实现了一种能匹配超低频环境振源的压电振荡器结构，运行稳定可靠，加工使用成本低，同时能有效提升输出频率，提高发电功率；且能够自动收集水平面内任一方向的振动能，无需外界干预。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可能的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种可能的结构示意图；
图3为升频式压电发电器结构的等效模型示意图；
图4为升频式压电发电器简化后的等效结构运行过程示意图；
图5为本发明实施例提供的摆动固有频率调节示意图；
图6为本发明实施例提供的摆球质量可调节设计示意图；
图7为本发明实施例提供的理论计算得到系统各自由度振荡波形及其功率谱密度。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例中具体提供了一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其中包括：
用于摆动的质量块(1)、牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)，而第一永磁体(6)和第二永磁体(7)用于提供非线性耦合力。具体的：
质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线。
第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，初始状态下，放置在同一水平面上，该设计大大缩小了装置体积。
第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，在本实施例的实际应用中，也可以将第一悬臂梁(3)称为低刚度悬臂梁(3)，将第二悬臂梁(4)称为高刚度悬臂梁(4)。
第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成所述振荡结构的压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能。
第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力。
其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧，但弹簧伸缩仅沿竖直方向变化，所述等效弹簧的振荡等效于弹簧的伸缩。在实际应用中，可以仅通过改变摆球周围等效重力加速度实现频率匹配调节，相比与传统的改变摆长，该方式更加适用于振动能量收集装置。
在本实施例中，用于摆动的质量块(1)，摆线(2)和第一悬臂梁(3)组成的振荡结构，其摆动固有频率仅与摆长及重力加速度有关，以实现超低频匹配，且不会降低结构刚度或加重等效质量。可以自适应收集水平面内任一方向的振动能，无需任何外界操作。将悬臂梁(3)等效成弹簧摆系统中的弹簧，与严格定义的弹簧摆略有区别，原因在于：严格意义上的弹簧摆中存在沿摆长方向变化加速度，本实施例中摆长变化加速度只沿竖直方向变化。
在本实施例中，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)各自的自由端固定有永磁体，彼此间呈互斥力，通过非线性磁铁力的耦合，最终实现升频转换。另外，所述永磁体之间的间距可以在装配过程中手动调节。第一永磁体(6)和第二永磁体(7)之间的非线性互斥力耦合影响了第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁 (4)的动力学特性。只要满足该力学效果，对于第二悬臂梁(4)和第一悬臂梁(3)的具体安装方式，本实施例中并不完全限定。下面列举两种可行的方案。
其一：如图1所示的，在所述振荡结构中：第二永磁体(7)固定在第一悬臂梁(3)的自由端，第二永磁体(6)固定在第二悬臂梁(4)的自由端。并且，第二悬臂梁(4)为薄片状，第一悬臂梁(3)为薄片状的U型框架，第一悬臂梁 (3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第二悬臂梁(4)内嵌在第一悬臂梁(3)结构中。在初始状态下，两悬臂梁的中性面处于同一平面上，该设计大大缩小了装置体积。从而在满足性能要求的基础上，极大地缩小装置体积。
其二：如图2所示的，考虑到内嵌式的设计方式将会增加结构加工和装配难度，进一步改进出一种更为简单的装配实施方式，所述悬臂梁(4)和悬臂梁(3) 可并列分布在固定基础的一端，在初始状态下，永磁体的几何中心点应处于同一水平面上，该设计同样可以缩小装置体积。具体的，在所述振荡结构中：
第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并列分布在固定基础的一端，在初始状态下，第二永磁体(6)和第二永磁体(7)的几何中心点应处于同一水平面上。并且，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)都为薄片状，第一悬臂梁(3) 和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4) 并不相互接触；第一悬臂梁(3)与第二悬臂梁(4)相互平行布置，从而在满足性能要求、缩小装置体积的基础上，降低装配难度。
进一步的，本实施例中，摆线(2)的作用点固定于第一悬臂梁(3)宽度方向上的中间位置，避免引发悬臂梁(3)的扭振。其中，所述摆线(2)与悬臂梁(3)的自由端固接或铰接。若采用铰接，则所述摆线(2)与悬臂梁(3) 的自由端通过万向联轴器铰接，确保其可以收集水平面内任一方向振动能。
在可再生能源及微功率发电领域，太阳能、风能、温差能、振动能等是常见的环境能量源。每一种能量源都有其优点和不足，具体选择何种能源要综合考虑实际应用场合的各种因素做出取舍。本发明主要涉及环境振动能量收集领域，因为自然环境中，振动能量无处不在且有着相当可观的能量密度，基本满足绝大多数低功耗智能设备的应用需求。又由于压电材料具有良好的机电耦合特性、便于和收集器结构集成等优点，利用压电材料的正压电效应，将环境振动机械能转化为电能，获得了绝大多数学者的青睐。
大多数环境振动能的功率谱峰值频率特别低，如人体/动物活动引入的振动能，频率在1Hz左右；大型机械设备、土木工程结构的振动，频率在5Hz以内等等。为了最大化机电耦合效率，往往要求收集器自身的固有频率与环境振源频率匹配，该设计思路又带来了一系列新问题。首先是结构脆弱、疲劳寿命低，目前大多数振荡结构采用质量-弹簧-阻尼二阶振荡模型进行设计，为获得较低的固有频率，结构等效刚度特别低、等效质量特别大；其次是发电功率特别低，对于压电和电磁式发电机，其发电功率是随振动频率的增长而提高的，如压电陶瓷PZT在20Hz工况下功率密度80mW/cm3，而在高频工况下(10kHz)其功率密度可高达150W/cm3，频率增加了500倍，功率密度提升了近2000倍。还比如典型的风力发电机内部就专门设计了复杂的齿轮增速装置，用于提高转动频率以提高发电功率。目前对于压电发动机，一些学者也开始了升频式结构设计，如机械碰撞式、机械拨动式、惯性冲击式、磁致升频式等等，这些设计升频比高，但存在所需激励加速度阈值高，有能量耗散、冲击力大等新问题。
为了最大化机电耦合效率，往往要求压电发电器振荡结构的固有频率与环境振源频率匹配。实际应用中，一旦振源频率特别低，压电和电磁式发电机均存在发电功率特别小的问题。且由于发电功率是随振动频率的增长而提高的，为了提高振动频率，往往需要通过设计复杂的机械结构来实现。例如大型风力发电机，其内部就按装了昂贵的行星齿轮增速装置来提高线圈切割磁感应线频率以提高发电功率，这就导致了维护使用成本高的问题；此类机械结构也不适合应用在一些微功率发电领域。因此，如何在低频振动能量收集领域设计一种结构相对简单，使用维护成本更廉价的压电发电器方案，成为了本领域内急需解决的问题。
本实施例所要解决的技术问题是:如何设计一种能匹配超低频环境振源的压电振荡器结构，运行稳定可靠，加工使用成本低，同时能有效提升输出频率，提高发电功率。另外，还要求能够自动收集水平面内任一方向的振动能，无需外界干预。
为此，本发明提供了一种基于多自由度非线性系统内共振现象实现升频转换的压电振荡器结构，由一典型的二自由度振荡结构和基于非线性磁力耦合的二自由度立方非线性结构组合而成。仅通过改变摆球周围等效重力加速度实现频率匹配调节，相比与传统的改变摆长，该方式更加适用于振动能量收集装置。弹簧摆摆球可设计成光杆螺栓加含螺纹通孔质量块的组合装配结构，通过选择质量块数量调节摆球质量，进而调节第二自由度的固有频率，可使结构进一步适应环境振源。
本发明实施例所要解决的技术问题是在满足性能要求的基础上设计简单的振动能量收集结构，使其运行稳定可靠、加工使用成本低，重点解决结构如何能够收集水平方向超低频振动能，并输出较高的发电功率。现有技术中，多方向振动能量收集器研究较少，本发明实施例创造性地借助振荡结构，实现在水平面内任一方向施加激励，结构中的“弹簧”均能实现“伸缩”变形，即悬臂梁(3)发生振荡；同时创造性地分别利用多自由度非线性系统的1:2及1:3内共振现象，实现1:6的升频转换；另外振荡结构的摆动固有频率仅与重力加速度和摆长有关，与结构的等效刚度和质量无关，因此本发明实施例创造性地在实现超低振动频率匹配的同时，避免了结构脆弱性问题。
本发明实施例提供的一种水平方向超低频能量收集的升频式压电发电器，首先利用非线性弹簧摆原理，将与摆动固有频率匹配的低频振源提升2倍，即第一悬臂梁(3)在其固有频率处大幅振荡；然后利用二自由度立方非线性原理，通过非线性磁力，进一步提升振源频率至6倍，即第二悬臂梁(4)在其固有频率处大幅振荡。由于第二悬臂梁(4)根部集成有压电元件，最终输出的电压频率将等于第二悬臂梁(4)的振荡频率，即为最初环境振源频率的6倍。
上述升频式设计均通过非线性振动理论实现，从理论角度看，升频转换过程无能量损失，同时所需的外界加速度阈值低，因此理论优势明显。从动力学系统角度看，由于振荡器结构存在阻尼这一固有特性，随着升频转换次数的增加，系统总损失能量应该也越多。但从另一个方面讲，随着振动频率的增加，压电元件的机电转换效率也越高，输出功率越大，因此升频转换损失的能量是可以接受的。这就好比如今大量应用的风力发电机，其机舱内部必须设计安装成本昂贵的传动齿轮箱，虽然传动齿轮在运行过程中存在能量损失，但其能够把极低的叶片转动频率(约19～30转/分)提升至约1500转/分，大大提升了了线圈切割磁感应线的频率，进而提高了发电功率。
综上所述，对于弹簧摆在外界激励作用下产生的低频大能量，本发明实施例提供的升频式设计能够有效地将大能量转化为具有较高输出功率的电能。另外，本发明提出的压电发电器结构还具有结构简单，加工、装配容易，工作稳定可靠等优点。
本实施例的具体实现原理，可以理解为：可看成由二自由度平方非线性系统和二自由度立方非线性系统组合而成的，最终可等效成具有三个自由度的复杂非线性系统。其中第二自由度分别隶属平方非线性系统和立方非线性系统，起到中间桥梁作用，将第一自由度和第三自由度有效联系在一起。根据非线性动力学理论，假设第一、第二、第三自由度的固有频率之比分别为ω1、ω2、ω3，那么当固有频率之比为1:2:6时，系统会发生内共振现象。结构第一自由度属于摆球摆动，固有频率ω1仅与摆长l及摆球质量m有关，因此可以在确保结构强度的情况下实现和外界超低激振频率(一般低于5Hz)的匹配。同时，由于内共振现象的发生，最终发电器输出电压频率为激振频率的6倍，不仅提高了机电耦合结构的发电功率，还提高了后续能量提取电路的回收效率。
第一方面，本发明实施例提供的一种用于水平方向超低频振动能收集的升频式压电发电器，其结构如图1和图2所示，包括：摆动质量块(1)，摆线(2)，低刚度悬臂梁(3)，高刚度悬臂梁(4)，用于机电耦合转换的压电元件(5)及用于提供非线性耦合力的永磁体(6)和(7)。所述质量块(1)构成弹簧摆系统中的摆球，其由不可伸缩摆线系于悬臂梁(3)自由端；所述悬臂梁(3)构成弹簧摆系统中的等效弹簧，其振荡等效于弹簧的伸缩；所述悬臂梁(4)和压电元件(5)构成压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；所述永磁体(6) 和(7)构成一对非线性互斥力，耦合影响了悬臂梁(3)和(4)的动力学特性。
本发明实施例提供的一种用于水平方向超低频振动能收集的升频式压电发电器，其结构等效模型如图3所示，包括：摆动固有频率为ω1的单摆系统，其自由度记为x1；固有频率为ω2的质量-弹簧-阻尼振荡系统，其自由度记为 x2；固有频率为ω3的质量-弹簧-阻尼-压电振荡系统，其自由度记为x3。水平面内任一方向的激励，如果频率在摆动固有频率ω1附近，将会引起单摆的大幅振荡，进而带动质量-弹簧-阻尼振荡系统发生大幅振荡，由于非线性磁铁力的存在，最终质量-弹簧-阻尼-压电振荡系统也发生大幅振动，带动压电元件高效地发电。
本发明实施例的工作原理及运行过程示意图如图4所示，该图展示了单摆系统在半个周期内(ω1/2)，各部分分别对应的振荡状态。当摆球位于图3所示左侧最高点时，弹簧摆中的弹簧处于“压缩”状态，即悬臂梁(3)处于最高点。当悬臂梁(3)处于图3所示的水平状态时，悬臂梁(4)一般也处于水平状态；但此时悬臂梁(3)振动了1/4周期，而悬臂梁(4)振动了3/4周期。当摆球位于图3所示的最低点时，弹簧摆中的弹簧处于“伸长”状态，即悬臂梁(3)处于最低点。当悬臂梁(3)处于图3所示的水平状态时，一般情况下悬臂梁(4)同样处于水平状态。最后，当球位于图3所示右左侧最高点时，弹簧摆中的弹簧处于“压缩”状态，即悬臂梁(3)处于最高点，完成了1个振荡周期，而此时摆球仅完成1/2个振荡周期，悬臂梁(4)完成了3个振荡周期。
对于升频式压电发电器结构，其摆球可选用密度较大同时成本较低的材料制成，如铅、钢等金属材料；其摆线由不可伸长的柔性材料制成，如尼龙线、钢丝线、聚乙烯纤维线等；其悬臂梁结构(3)和(4)一般选用不锈钢、弹簧钢等材料；永磁体(6)和(7)一般选择钕铁硼材料。
由于将高刚度悬臂梁(4)内嵌于低刚度悬臂梁(3)结构中，使得装置长度缩小了一半，在初始装配时，两悬臂梁中性面应处于同一平面。
考虑到内嵌式设计在装配和加工方面的难度，本发明另外提出一种并列式装配方案，即悬臂梁(3)和(4)并列布置于基础装置一侧，同样可以使整体装置长度缩小一半，在初始装配时，永磁体几何中心应处于同一水平面。
更进一步，永磁体(6)和(7)分别对应固定于悬臂梁(3)和(4)的自由端，两永磁体之间呈互斥力，在装配时，永磁体之间的间距应可以方便地调节和设置。
悬臂梁(3)和(4)应设计成非对称的形式，避免理论模型中永磁体之间形成的排斥力始终为0，该非对称性主要体现为悬臂梁的等效梁长或刚度。
作为一种实施方式，升频式压电发电器系统，各自由度固有频率之比在线性条件下应为1:2:6，或者接近该值。当系统中出现磁力耦合时，悬臂梁(3) 和(4)的固有频率会发生偏移，且偏移程度和永磁体之间的间距有关，因此在实际设计时，悬臂梁(3)和(4)的等效梁长应该还可以进一步微调节。
更进一步，悬臂梁(3)和(4)固有频率微调节的方式，可分别通过两种方式实现。对于悬臂梁(3)，其自由端固定摆线的位置可沿梁长方向适当调节，相当于微调节了悬臂梁(3)的等效梁长，适当地改变了其固有频率。对于悬臂梁(4)，其固定端可以适当伸出或缩进基础装置，直接通过微调节梁长的方式改变其固有频率。值得注意的是，当悬臂梁等效梁长发生改变时，对于并列式装配系统，应适当调节永磁体位置，使其尽可能相对布置。
更进一步，升频式压电发电器系统一旦装配完成，其摆动固有频率ω1也会发生偏移。根据非线性振动力学理论，此时摆动系统的幅频特性曲线将向两边偏移出两个峰值频率。为了匹配环境振源频率，在设计压电发电器时，应使线性条件下的摆动固有频率ω1略微偏离所要收集的环境振源频率。针对于环境振源频率经常发生变化的应用场合，该固有频率偏移特性反而拓宽了装置工作频带，更加有利于环境振动能量收集，增强了压电发电器装置的环境生存能力。
更进一步，升频式压电发电器还可以自适应调节其摆动固有频率，最大限度地匹配环境振源频率，始终有较高的发电功率输出。对于摆动固有频率的调节，理论上可以通过改变摆长l和重力加速度g实现，而且通常人们认为重力加速度g是常数，实际仅可以通过改变摆长l实现匹配调节。本发明实施例创新性地通过改变等效重力加速度g实现频率匹配调节，在实际应用中，该方式反而最有效、可行。
根据上述原理，本发明实施例可在摆球下方固定有永磁体材料，如图5所示。此时摆球应该用导磁材料制成，永磁体对摆球(1)产生的吸引力等效增加了重力加速度g的值，间距d越小，摆球摆动固有频率越高。相比于改变摆长l 来调节频率，所述实施方式具有易实现、调节简单等优势。
更进一步，考虑到第二自由度质量-弹簧振荡系统的固有频率可调节，本发明实施例增加了摆球质量可调节设计，如图6所示。摆球结构可由光杆螺栓和若干个带螺纹通孔的质量块组成，通过选择不同质量块的组合方式实现等效质量的手动调节。该摆球质量与第二自由度质量-弹簧振荡系统中的等效质量正相关，因此可方便地调节该自由度固有频率，进一步适应环境振动源，增强装置的生存能力。
最后，图7给出了在典型超低频激振源下，系统各个自由度的动态响应时域图及其功率谱图。其中激振源的频率为3.36Hz,与摆动固有频率接近，由于 1:2的内共振效应，悬臂梁(3)的振动频率为6.71Hz,是激振频率的2倍；又由于立方非线性系统1:3内共振效应，悬臂梁(4)的主要振动频率为20.29 Hz，是悬臂梁(3)振动频率的3倍。综上所述，由于压电转化元件集成在悬臂梁(4)上，最终输出电压频率等于悬臂梁(4)的振动频率，即是激振频率的6 倍，大大提高了升频转换率。
本发明实施例结构简单可靠，具有极大的应用前景。考虑到装置工作寿命、稳定性等问题，在具体实施时可简单增加一保护装置，如长方体结构的封装保护，防止出现冲击、倒置等极端情况影响。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，包括：
用于摆动的质量块(1)、用于牵引质量块(1)的摆线(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、用于机电耦合转换的压电元件(5)、第一永磁体(6)和第二永磁体(7)；
质量块(1)构成振荡结构中的摆球，其由摆线(2)系于悬臂梁(3)自由端，摆线(2)为不可伸缩摆线；
第一悬臂梁(3)的刚度小于第二悬臂梁(4)，第一悬臂梁(3)和质量块(1)及摆球(2)共同构成振荡结构，其中，第一悬臂梁(3)构成所述振荡结构中的等效弹簧；
第二悬臂梁(4)和压电元件(5)构成振荡结构的压电悬臂梁，用于将振动机械能转化为电能；
第一永磁体(6)和第二永磁体(7)平行放置，并构成一对非线性互斥力；
摆线(2)与悬臂梁(3)的自由端通过万向联轴器铰接；
摆线(2)的作用点固定于第一悬臂梁(3)宽度方向上的中间位置；
摆线(2)与悬臂梁(3)的自由端固接或铰接；
摆线(2)由不可伸长的柔性材料制成；在所述振荡结构中：第二永磁体(7)固定在第一悬臂梁(3)的自由端，第二永磁体(6)固定在第二悬臂梁(4)的自由端；
在所述振荡结构中：
第二悬臂梁(4)为薄片状，第一悬臂梁(3)为薄片状的U型框架，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；第二悬臂梁(4)内嵌在第一悬臂梁(3)结构中；
在所述振荡结构中：
第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并列分布在固定基础的一端，在初始状态下，第二永磁体(6)和第二永磁体(7)的几何中心点应处于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器，其特征在于，在所述振荡结构中：
第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)都为薄片状，第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)放置在同一水平面上，且第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)并不相互接触；
第一悬臂梁(3)与第二悬臂梁(4)相互平行布置。
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