CN102332843B - 一种对称旋转压电发电装置 - Google Patents
一种对称旋转压电发电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102332843B CN102332843B CN 201110274652 CN201110274652A CN102332843B CN 102332843 B CN102332843 B CN 102332843B CN 201110274652 CN201110274652 CN 201110274652 CN 201110274652 A CN201110274652 A CN 201110274652A CN 102332843 B CN102332843 B CN 102332843B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- generation device
- piezoelectric bimorph
- permanent magnet
- bimorph beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
本发明一种对称旋转压电发电装置属于微能源技术领域，特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能。发电装置由旋转轴，左右底座，左右轴承，左右压电双晶梁阵列，激励轮永磁铁阵列及激励轮组成。激励轮与旋转轴刚性连接，旋转轴分别由左右轴承支撑在左右底座的中心孔中。发电装置中，左右压电双晶梁阵列的结构完全对称。由若干个激励轮永磁铁构成的激励轮永磁铁阵列均匀分布在激励轮左侧的四周；由永磁铁块，铜梁及压电陶瓷片构成压电双晶梁，由左右压电双晶梁构成的压电双晶梁阵列均匀安装在左右底座上。该装置利用非接触永磁力传递作用力，避免了机械冲击导致能量损失和寿命降低缺陷；增加了普通旋转压电发电装置的响应带宽。
Description
技术领域
本发明是一种对称旋转压电发电装置属于微能源技术领域，特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能。
背景技术
环境中的振动具有低频、随机变化的特点。目前，利用压电技术获取环境振动能的主要方法包括：共振调节式、联合式、增频式、非线性振动式。其中，增频式压电发电结构简单、效率较高，日益到关注。增频式压电发电的主要特点：利用机械碰撞或无接触冲击提高压电悬臂梁的响应频率，增加压电悬臂梁的输出功率。
Shashank Priya发明了一种机械接触碰撞式旋转压电发电装置(发明专利号：US 2010/0052324A1)，该装置利用激励轮拨动压电双晶梁产生电能，但机械接触方式存在机械能损失和降低使用寿命的缺点。J.Rastegar和R.Murry提出二阶旋转压电发电装置的概念(J.Rastegar and R.Murray.Novel two-stage piezoelectric-based electrical energy generators for low andvariable speed rotary machinery.Active and passive smart structures andintegrated systems，2009.)，利用永磁力传递非接触冲击，避免了机械冲击，但这种旋转压电发电机在低频激振作用下的响应带宽较窄。Samuel C.Stanton等研究了压电悬臂梁在永磁力作用下处于双稳态能量状态时的振动响应(Samuel C.Stanton，Clark C.McGhee，Brian P.Mann.Nonlinear dynamicsfor broadband energy harvesting：investigation of a bistable piezoelectric inertialgenerator.Physica D.2010.)，研究结果证实：在随机、多频率的振动环境下，压电悬臂梁进入双稳态能量状态时，响应带宽增加。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服普通旋转压电发电机带宽较窄的缺点，发明一种基于双稳态势能原理的对称旋转压电发电装置，该装置采用非接触式激励方式来收集低频振动环境中变化的转动机械能，能够增加普通旋转压电发电机的响应带宽，提高输出功率；特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能。
本发明采用的技术方案是一种对称旋转压电发电装置，该发电装置由旋转轴1，左、右底座3、10，左、右轴承2、9，左、右压电双晶梁阵列，激励轮永磁铁阵列及激励轮7组成；激励轮7与旋转轴1刚性连接，旋转轴1分别由左、右轴承2、9支撑在左、右底座3、10的中心孔中，旋转轴1的左部与传递转动机械能的构件以过盈配合方式连接；该对称旋转压电发电装置中，左、右压电双晶梁阵列的结构完全对称；
在装置的左部结构中，由若干个激励轮永磁铁8构成的激励轮永磁铁阵列均匀分布在激励轮7左侧的四周，由永磁铁块6，铜梁5及压电陶瓷片4构成的左压电双晶梁，由若干个左压电双晶梁构成的压电双晶梁阵列均匀安装在左底座3上；在铜梁5侧面的端部粘接有一块永磁铁块6，用导电胶将压电陶瓷片4、4’分别粘着于铜梁5的两侧，且两侧压电陶瓷片极性方向相对；由压电陶瓷片4、4’上分别连接有导线11、11’，导线11、11’与整流电路相连接构成后处理电路，对称旋转压电发电装置采用简单全桥整流电路并联对负载R供电；
装置的右侧结构与左侧结构完全相同，左、右两侧压电双晶梁两两对齐，两侧压电双晶梁上的永磁铁块6磁极相对，同为N极或S极。
一种对称旋转压电发电装置的激励轮永磁铁6个数不能超过压电双晶梁对数，并均匀阵列于激励轮7的四周。
本发明的显著效果是装置利用非接触永磁力传递作用力，避免了机械冲击导致能量损失和寿命降低缺陷。基于双稳态势能原理发明对称旋转压电发电装置，增加了普通旋转压电发电装置的响应带宽。本专利发明的对称旋转压电发电装置特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能。
附图说明
图1双稳态势能原理示意图，其中：a-压电双晶梁回复能，b-磁势能，c-总势能，d-中间位置，d’-左侧势能最低位置，d”-右侧势能最低位置，A-压电双晶梁位移(单位mm)，U-势能(单位mJ)。图2对称旋转压电发电装置原理示意图，图3对称旋转压电发电装置结构示意图，图4压电双晶梁阵列处理电路图。其中：1-旋转轴，2-左轴承，3-左底座，4-上压电陶瓷片，4’-下压电陶瓷片，5-铜梁，6-永磁铁块，7-激励轮，8-激励轮永磁铁，9-右轴承，10-右底座，11-上导线，11’-下导线，R-负载。图5风力发电应用实例示意图，其中：F-风力，I-叶轮，II-对称旋转压电发电装置，III-无线传感网，IV-微功率器件。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。本发明的基本原理是基于双稳态势能原理，发明了一种对称旋转压电发电装置，提高了旋转压电发电机的响应带宽，增加了输出功率。
附图1表示压电双晶梁双稳态势能原理图，图中，细实线表示压电双晶梁回复能a，虚线表示磁势能b，粗实线表示总势能c。由图中看出，压电双晶梁总势能c处于双稳态能量状态时存在两个势能最低位置，即左势能最低位置d’、右势能最低位置d”，又称“双井势能理论”。当压电双晶梁处于双稳态能量状态时，压电双晶梁处于中间位置d会极不稳定，受到扰动必定偏离中间位置d，向左势能最低位置d或右势能最低位置d”位置运动。压电双晶梁要实现对称振动要克服势障，所谓势障是指压电双晶梁中间位置d与势能最低位置d’、d”的相对势能。势障与永磁铁间距d有关，永磁铁间距越小，势障越大；势障过大，压电双晶梁无法实现对称振动。永磁铁间距越大，势障越小；势障过小，压电双晶梁梁总势能接近回复能，双稳态作用效果不明显。压电双晶梁处于势障较小的双稳态能量状态时，受到低频外界扰动，压电双晶梁会以很大振幅发生振动。可见，压电双晶梁处于势障较小的双稳态能量状态时，对于低频外界扰动，响应带宽增加。
附图2是对称旋转压电发电装置结构示意图。由永磁铁块6、铜梁5，压电陶瓷片4构成压电双晶梁，由若干个压电双晶梁构成的压电双晶梁阵列均匀安装在左、右底座3、10上，且左、右两侧压电双晶梁两两对齐。由若干个激励轮永磁铁8构成的激励轮永磁铁阵列均匀分布在激励轮7左侧的四周，激励轮7与旋转轴1刚性连接，旋转轴1分别由左右轴承2、9支撑在左、右底座3、10的中心孔中。使用时，旋转轴1的左部与传递转动机械能的构件以过盈配合方式连接。
附图3表示对称旋转压电发电机原理示意图，结合附图1、2说明对称旋转压电发电机的工作原理。永磁铁作用力的基本规律：同磁极相斥，异磁极相吸。双稳态势能状态实现是利用永磁铁斥力实现的，此时，左、右压电双晶梁都会出现两个势能最低位置。因此，左、右压电双晶梁都处于双稳态势能状态要求左、右压电双晶梁端部的永磁铁块6正对磁极必相同，同为S极或同为N极。适当调整左右压电双晶梁间距，使左右压电双晶梁势能均处于小势障的双稳态势能状态，才能增加对称旋转压电发电装置在低频激励条件的响应带宽。当收集外界低频振动环境中转动机械能时，将旋转轴1与传递转动机械能的构件以过盈配合方式连接。外界转动速度不断变化，旋转轴1也以变化的速度转动，激励轮7带动激励轮永磁铁8以相同的转速转动。激励轮永磁铁8靠近左、右压电双晶梁端部永磁铁块6时，永磁铁间的作用力同时作用在左、右压电双晶梁永磁铁块6上，受到冲击的永磁铁块6会带动左、右压电双晶梁发生振动。压电双晶梁在振动过程中，带动压电陶瓷片4、4’产生应变，根据正压电效应，压电陶瓷片4、4’各自表面会产生正负交替电荷。压电陶瓷片4、4’极性相反，压电陶瓷片4、4’与铜梁5连接一侧携带电荷同性，且压电陶瓷片与铜梁连接利用导电胶，故可以看成压电陶瓷片4、4’串联供电。连接在压电陶瓷片4、4’上的上导线11、下导线11’将电流传送到全桥整流电路中，将交流电转化为直流电，直接为负载R供电。
在附图4中表示的是压电双晶梁阵列处理电路简图，将直流电并联直接对负载R供电，即利用简单全桥整流电路并联直接对直接为负载R供电。
附图5是利用本装置风力发电的一个应用实例。当利用风能发电时，自然界的风具有变化和不稳定的特点，先将装置中的旋转轴1左部与叶轮I以过盈配合方式连接；风力F带动叶轮I转动，叶轮I的转动也是不均匀的。由于叶轮I与旋转轴1是以过盈配合方式连接的，所以，旋转轴1带动激励轮7和激励轮永磁铁阵列以变化的速度转动。激励轮永磁铁8靠近压电双晶梁永磁铁块6时，永磁铁之间的作用力同时作用在左、右压电双晶梁永磁铁块6上，左右压电双晶梁会同时产生振动。适当调整左右压电双晶梁间距，使左右压电双晶梁势能均处于小势障的双稳态势能状态。压电双晶梁在振动过程中，压电陶瓷片4、4’不断产生电流，利用简单全桥整流电路将交流电整流为直流，直接对由若干无线传感器组成的监测无线传感网III或微功率器件IV提供能量供电。
本发明适合收集环境机械能包括：波浪能、风能，它们具有相同的特点是能量是变化的，且不稳定。可利用对称旋转压电发电机收集海洋波浪能，为海洋无线传感网供能；可利用波浪能得到往复直线形式机械能，利用齿轮齿条将其转换成旋转机械能，旋转压电发电机可将旋转机械能转换为电能。
Claims (2)
1.一种对称旋转压电发电装置，其特征在于，该发电装置由旋转轴（1），左、右底座（3、10），左、右轴承（2、9），左、右压电双晶梁阵列，激励轮永磁铁阵列及激励轮（7）组成；激励轮（7）与旋转轴（1）刚性连接，旋转轴（1）分别由左、右轴承（2、9）支撑在左、右底座（3、10）的中心孔中，旋转轴（1）的左部与传递转动机械能的构件以过盈配合方式连接；该对称旋转压电发电装置中，左、右压电双晶梁阵列的结构完全对称；
在装置的左部结构中，由若干个激励轮永磁铁（8）构成的激励轮永磁铁阵列均匀分布在激励轮（7）左侧的四周；由永磁铁块（6），铜梁（5）及压电陶瓷片（4）构成左压电双晶梁，由若干个左压电双晶梁构成的压电双晶梁阵列均匀安装在左底座（3）上；在铜梁（5）侧面的端部粘接有一块永磁铁块（6），用导电胶将压电陶瓷片（4、4’）分别粘着于铜梁（5）的两侧，且两侧压电陶瓷片极性方向相对；由压电陶瓷片（4、4’）上分别连接有导线(11、11’), 导线(11、11’)与整流电路相连接构成后处理电路，对称旋转压电发电装置采用简单全桥整流电路并联对负载R供电；
装置的右侧结构与左侧结构完全相同，左、右两侧压电双晶梁两两对齐，两侧压电双晶梁上的永磁铁块（6）磁极相对，同为N极或S极。
2.如权利要求1所述的一种对称旋转压电发电装置，其特征在于，激励轮永磁铁（8）个数不能超过压电双晶梁对数，并均匀阵列于激励轮（7）的四周。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110274652 CN102332843B (zh) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | 一种对称旋转压电发电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110274652 CN102332843B (zh) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | 一种对称旋转压电发电装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102332843A CN102332843A (zh) | 2012-01-25 |
| CN102332843B true CN102332843B (zh) | 2013-11-06 |
Family
ID=45484487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110274652 Expired - Fee Related CN102332843B (zh) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | 一种对称旋转压电发电装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102332843B (zh) |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102624281B (zh) * | 2012-03-29 | 2015-04-01 | 浙江师范大学 | 一种非接触激励的多维振动能量采集器 |
| CN102723894B (zh) * | 2012-05-28 | 2015-07-29 | 南京航空航天大学 | 旋转压电发电装置 |
| CN102739109A (zh) * | 2012-07-09 | 2012-10-17 | 南京航空航天大学 | 单摆式压电发电机 |
| CN103684043B (zh) * | 2012-08-31 | 2017-03-01 | 上海汽车集团股份有限公司 | 汽车悬架控制臂压电发电装置以及汽车 |
| CN103178744B (zh) * | 2013-03-26 | 2015-08-12 | 北京大学 | 一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机 |
| CN103166504B (zh) * | 2013-04-03 | 2015-07-29 | 重庆大学 | 一种碰撞式微型能量采集阵列结构 |
| CN103414377B (zh) * | 2013-05-30 | 2015-08-26 | 大连理工大学 | 一种可调频旋转式压电发电装置 |
| CN103259454B (zh) * | 2013-05-31 | 2015-09-09 | 浙江师范大学 | 风力发电机叶片监测系统用圆形压电振子发电装置 |
| CN103326618B (zh) * | 2013-06-06 | 2015-11-18 | 大连理工大学 | 一种水下旋转式压电发电装置 |
| CN103427467B (zh) * | 2013-08-15 | 2015-04-08 | 大连理工大学 | 风力带动旋转式压电发电充电器 |
| CN103973161A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-08-06 | 天津大学 | 一种旋转压电能量收集装置 |
| CN104377994B (zh) * | 2014-11-25 | 2017-01-25 | 北京工业大学 | 周向复合型单侧辅磁压电发电装置 |
| CN105720861B (zh) * | 2015-12-15 | 2017-07-07 | 南昌工程学院 | 多方向宽频压电mems振动能量采集器及其制备方法 |
| CN105822488B (zh) * | 2016-05-04 | 2018-01-30 | 青岛大学 | 一种波浪能转化为电能的装置 |
| CN106026767B (zh) * | 2016-05-20 | 2017-11-17 | 江苏大学 | 一种压电式振动俘能器 |
| CN106476971B (zh) * | 2016-11-04 | 2019-04-12 | 宁波大学 | 自行车脚踏板压电发电装置 |
| CN106856382B (zh) * | 2017-01-12 | 2018-08-31 | 合肥工业大学 | 一种可旋转运动和轴向运动的压电能量收集装置 |
| CN106894952B (zh) * | 2017-03-18 | 2023-07-25 | 南昌工程学院 | 一种磁致伸缩式压电微风发电装置 |
| CN107605647B (zh) * | 2017-11-02 | 2019-05-07 | 天津工业大学 | 一种新型摆动式波浪能压电发电装置 |
| CN108462403B (zh) * | 2018-03-13 | 2023-12-22 | 吉林大学 | 一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置 |
| CN109026168B (zh) * | 2018-07-24 | 2019-11-15 | 北京航空航天大学 | 一种转子压电阻尼弹性支承装置 |
| CN112242798A (zh) * | 2020-10-04 | 2021-01-19 | 长春工业大学 | 一种基于磁力耦合的旋转式能量收集装置 |
| CN112879230B (zh) * | 2021-01-28 | 2023-04-18 | 山西森杰元科技有限公司 | 一种基于压电材料的发电设备 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101404468A (zh) * | 2008-11-25 | 2009-04-08 | 重庆大学 | 一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器 |
| CN101656493A (zh) * | 2009-09-17 | 2010-02-24 | 上海交通大学 | 基于双稳态升频结构的mems宽频压电能量采集器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070210659A1 (en) * | 2006-03-07 | 2007-09-13 | Long Johnny D | Radial magnetic cam |
| US8354778B2 (en) * | 2007-09-18 | 2013-01-15 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Dual-mode piezoelectric/magnetic vibrational energy harvester |
-
2011
- 2011-09-16 CN CN 201110274652 patent/CN102332843B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101404468A (zh) * | 2008-11-25 | 2009-04-08 | 重庆大学 | 一种采用压磁/压电复合换能结构的振动能量采集器 |
| CN101656493A (zh) * | 2009-09-17 | 2010-02-24 | 上海交通大学 | 基于双稳态升频结构的mems宽频压电能量采集器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102332843A (zh) | 2012-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102332843B (zh) | 一种对称旋转压电发电装置 | |
| Iqbal et al. | Vibration‐based piezoelectric, electromagnetic, and hybrid energy harvesters for microsystems applications: A contributed review | |
| CN107453647B (zh) | 宽速度域磁力耦合压电风能采集器 | |
| Shao et al. | Triboelectric–electromagnetic hybrid generator for harvesting blue energy | |
| CN109391171B (zh) | 一种风致振动压电电磁复合发电装置 | |
| Priya et al. | Piezoelectric windmill: A novel solution to remote sensing | |
| CN103684047B (zh) | 一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机 | |
| Wang et al. | Harnessing energy from spring suspension systems with a compressive-mode high-power-density piezoelectric transducer | |
| US20100052324A1 (en) | Piezoelectric windmill apparatus | |
| CN102723894A (zh) | 旋转压电发电装置 | |
| Wang et al. | Rotational energy harvesting systems using piezoelectric materials: A review | |
| CN102170246B (zh) | 带柔性梁结构的振动式微型风力发电机 | |
| CN102255557A (zh) | 一种旋转压电发电装置 | |
| CN103346696A (zh) | 阵列式复合能量采集器 | |
| CN202663322U (zh) | 旋转压电发电装置 | |
| CN106655886A (zh) | 一种双稳态双模式的振动能量采集器 | |
| CN107681924A (zh) | 一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器 | |
| Wang et al. | A speed-amplified tri-stable piezoelectric-electromagnetic-triboelectric hybrid energy harvester for low-frequency applications | |
| Xue et al. | Coil-levitated hybrid generator for mechanical energy harvesting and wireless temperature and vibration monitoring | |
| Zhou et al. | Ultrasound vibration energy harvesting from a rotary-type piezoelectric ultrasonic actuator | |
| CN103762889B (zh) | 基于超磁致伸缩薄膜的杠杆式振动能量收集器 | |
| CN110474558B (zh) | 一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机 | |
| CN102983779A (zh) | 一种磁耦合的压电振动能量俘获装置 | |
| CN113037133B (zh) | 一种多方向的上变频波浪振动俘能装置 | |
| CN102983775A (zh) | 一种球体驱动的静电式振动能量收集装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131106 Termination date: 20170916 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |