CN102594203A - 纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置 - Google Patents

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阚君武
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Abstract

本发明涉及一种纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置,属于新能源和发电技术领域。壳体通过螺钉安装在底座上,所述壳体的内壁上均匀粘接有第一组磁铁和第二组磁铁;销轴上自上而下依次套接有第一个弹簧、惯性块和第二个弹簧,所述压电振子一端粘接有磁铁、另一端插入惯性块的直槽内,安装在壳体上的第一组磁铁及第二组磁铁与安装于压电振上的磁铁的同性磁极靠近安装。优势在于:利用环境纵向振动使悬臂梁压电振子作水平面内的横向摆动,可实现低频及大振幅的振动能量回收,可靠性高。

Description

纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置
技术领域
[0001] 本发明属于新能源和发电技术领域,具体涉及纵振、横摆式压电悬臂梁发电装置,用于低频、大振幅的纵向振动能量回收。
背景技术
[0002] 为满足微功率电子产品及微小型远程传感及埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境,基于电磁、静电、热电、电容及压电等原理的微小型发电装置的研究已经成为国内外的前沿热点。各类发电装置都有其自身的优势和适用领域,压电式振动发电装置的优势在于结构简单、易于制作和实现结构上的微小化与集成化等,故适用范围更广,现已逐步用于传感器、健康监测及无线发射系统等领域。
[0003] 在利用压电材料回收环境能量发电方面,国内外均有较多专利申请,其中绝大多数都是以振动能量回收为使用目的的。众所周知,对于振动式压电发电机,仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时方能达到较高的发电能力和能量转换效率。但因压电振子自身的谐振频率通常较高,其中压电悬臂梁的谐振频率达几百赫兹、圆形压电振子的谐振频率高达几千赫兹,而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹,因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率,目前采用的方法是在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中质量块,其弊端是当所安装的质量块较大时,即使在非工作状态时压电振子就已产生较大变形,工作中极易因变形过大而损毁。 其原因在于压电陶瓷材料质地很脆、可承受的形变能力极其有限,即使是较长的悬臂梁压电振子其安全变形量也仅为毫米级。在现实生活中,常规的环境振动主要是由各类交通工具运行、人体运动而诱发的,此类振动兼具低频和大振幅的双重特性,其中汽车、自行车等交通工具的纵向振动幅值有时可达几厘米、甚至十几厘米。可见,现有的便携式振动发电装置难以在实际中获得更广泛的应用。
发明内容
[0004] 本发明提供一种纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置,以解决现有压电振动发电装置仅能用于振幅较小、频率较高环境下的振动能量回收的问题,用于各类交通工具颠簸及人体运动等常规环境下的低频、大振幅振动能量回收。
[0005] 本发明采用的技术方案是:壳体通过螺钉与底座固定连接,所述壳体的内壁上均匀粘接有第一组磁铁和第二组磁铁,第一组磁铁和第二组磁铁不在同一高度上,所述底座上通过螺钉安装有销轴,销轴的另一端与壳体的顶部压接,在所述销轴上自上而下依次套接有第一个弹簧、惯性块和第二个弹簧,所述惯性块的两端各设一个安装卡簧的环形槽,惯性块上还设有用于安装压电振子的直槽;所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成, 所述金属基板的一端粘接有磁铁、另一端插入惯性块的直槽内并通过卡簧固定;安装在壳体上的第一组磁铁及第二组磁铁与安装于压电振子上的磁铁的同性磁极靠近安装。
[0006] 在自然状态下,惯性块在第一个弹簧和第二个弹簧的作用下处于平衡静止状态,压电振子以及安装于压电振子端部的磁铁也处于静止状态。当壳体环境中纵向振动激励时,惯性块沿销轴上下振动,致使压电振子端部的磁铁与安装在壳体上的磁铁第一组和第二组磁铁之间的距离发生变化,当压电振子上的磁铁和壳体上的第一组磁铁及第二组磁铁依次接近时,同性磁极间将产生排斥力,从而使压电振子产生交替的横向弯曲变形,并将机械能转换成电能。
[0007] 本发明的特点及优势在于:①悬臂梁压电振子的弯曲振动方向与环境纵向振动方向垂直,压电振子的变形量仅受磁场力大小的影响,不致因环境纵向振幅过大而损毁,可靠性高;②惯性块自身的重力作用在弹簧上,其质量的大小对压电振子的振动特性无直接影响,可采用较大质量惯性块和低刚度弹簧降低发电装置的固有频率、实现低频振动能量回收;
附图说明
[0008] 图I (a)是本发明一个较佳实施例中发电装置静止状态下的结构剖示图;
图I (b)是图I (a)的A-A首丨J不图;
图2是本发明一个较佳实施例中发电装置各磁铁磁极配置关系示意图;
图3(a)是本发明一个较佳实施例中惯性块的结构剖示图;
图3(b)是图3(a)的俯视图;
图4是本发明一个较佳实施例中压电振子金属基板的结构示意图;
图5(a)是本发明一个较佳实施例中惯性块向上运动时的结构剖示图;
图5(b)是图5(a)的剖面图;
图6(a)是本发明一个较佳实施例中惯性块向下运动时的结构剖示图;
图6(b)是图6(a)的剖面图。
具体实施方式
[0009] 如图I、图2、图3和图4所示,壳体2通过螺钉连接安装在底座I上,所述壳体2 的内壁上均匀粘接有第一组磁铁3和第二组磁铁4,第一组磁铁3和第二组磁铁4不在同一高度上;所述底座I上通过螺钉安装有销轴5,销轴5的另一端与壳体2的顶部压接;在所述销轴5上自上而下依次套接有第一个弹簧6、惯性块7和第二个弹簧8 ;所述惯性块7的两端各设一个环形槽701,惯性块7上还设有用于安装压电振子9的直槽702 ;所述压电振子9由金属基板901和压电晶片902粘接而成,所述金属基板901的一端粘接有磁铁11、另一端插入惯性块7的直槽702内,并通过卡簧10固定;安装在壳体2上的第一组磁铁3、第二组磁铁4与安装于压电振子10上的磁铁11的同性磁极靠近安装,即将磁铁11的N极与第一组磁铁3的N极、磁铁11的S与第二组磁铁4的S极靠近安装。
[0010] 在自然状态下,惯性块7在第一个弹簧6和第二个弹簧8的作用下处于平衡静止状态,压电振子9以及安装于压电振子9端部的磁铁11也处于静止状态。当壳体环境中纵向振动激励时,惯性块7沿销轴5上下往复振动,致使压电振子9端部的磁铁11与安装在壳体上的第一组磁铁3和第二组磁铁4之间的距离发生变化,当压电振子上的磁铁11和壳体上的第一组磁铁3及第二组磁铁4依次接近时,同性磁极间将产生排斥力,从而使压电振子9产生交替的横向弯曲变形,并将机械能转换成电能。[0011] 如图5 (a)、图5 (b)所示,当壳体I从原始位置向下运动时,惯性块7因受其自身惯性力的作用响应滞后,从而使第一个弹簧6被压缩、第二个弹簧8伸长,磁铁11与第二组磁铁4之间的距离逐渐缩短,其间的磁场排斥力逐渐增加,逐渐增加的磁场力迫使压电振子9 向远离第二组磁铁4的方向弯曲变形。如图6(a)、图6(b)所示,当壳体I的振动方向改变后,即向上方运动时,惯性块7的惯性力第二个使弹簧8被压缩、第一个弹簧6伸长,磁铁11 逐渐远离第二组磁铁4、靠近第一组磁铁3,从而使磁铁11与第二组磁铁4之间的场排斥力逐渐减小、与第一组磁铁3之间的排斥力增加;压电振子9在自身弹性力以及第一组磁铁3 排斥力的作用下向远离第一组磁铁3的方向弯曲变形。随着壳体2的上下往复纵向振动, 压电振子9在水平面内作往复的横向摆动,并将机械能转换成电能。

Claims (1)

1. 一种纵振-横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置,其特征在于:壳体通过螺钉与底座固定连接,所述壳体的内壁上均匀粘接有第一组磁铁和第二组磁铁,第一组磁铁和第二组磁铁不在同一高度上,所述底座上通过螺钉安装有销轴,销轴的另一端与壳体的顶部压接,在所述销轴上自上而下依次套接有第一个弹簧、惯性块和第二个弹簧,所述惯性块的两端各设一个安装卡簧的环形槽,惯性块上还设有用于安装压电振子的直槽;所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成,所述金属基板的一端粘接有磁铁、另一端插入惯性块的直槽内并通过卡簧固定;安装在壳体上的第一组磁铁及第二组磁铁与安装于压电振子上的磁铁的同性磁极靠近安装。
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