CN102684550B - 一种y型复合式振动发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种Y型复合式振动发电机,包括2个形状相同的框架、1个悬臂梁、2个永磁铁、2个线圈和至少1个压电片,各框架均由从左到右的三段一体制成:左水平部、斜面部和右水平部;悬臂梁固定端的上表面与一个框架左水平部的内表面接触,下表面与另一个框架左水平部的内表面接触;2个永磁铁分别粘贴在悬臂梁自由端的上、下表面,并分别与上、下框架的右水平部相对应;2个线圈分别设于上、下框架右水平部的外表面,并分别与上、下永磁铁相对应;所述压电片粘贴在上、下框架斜面部的外表面。此结构把工作在拉伸压缩模态的压电元件和电磁元件集成在同一发电机的不同部位,从而提高振动能量的利用率,提高发电机的发电能力和输出功率密度。

Description

一种Y型复合式振动发电机
技术领域
 本发明属于微型电源技术、节能技术领域,特别涉及一种利用压电元件和电磁元件的Y型复合式振动发电机。
背景技术
 CMOS电路尺寸的减小和功耗的降低,尤其是超低功耗电子学的发展,极大地促进了无线传感器、可植入式电子系统、可穿戴式电子系统、便携式电子系统等的研究。这些系统是便携式的或分布式的,因此需要自带电源。但是这些微电子产品苛刻的工作条件使得传统的电池和有线电源等供电方式难以满足其对电源的特殊需要。如一方面,系统由于无法确切地确定更换电池的时间而造成可能随时关机;另一方面,更普遍的情况是,在某些情况下很难甚至无法更换电池,比如内嵌入到混凝土结构内部的无线传感器节点、植入到野生动物身体内的全球定位系统跟踪设备,而在某些工况下更换电池需要大量的人力、财力和物力,比如具有成千上万个无线传感器节点的无线传感器网。这就迫切需要这些系统自身能够产生电能给自己供电。得益于低功率超大规模集成电路的发展,电子产品的功耗已经降到数十毫瓦到数百毫瓦。这就使得回收环境中的能量以替代电池或给电池充电而驱动电子系统成为可能,这种方式将延长电池的供电时间,在理想的情况下甚至可以提供无尽的电能。基于这些因素,在过去的几年里,振动发电方面的研究受到了极大的关注。中国专利申请号201110141901.9提出了一种微型复合式振动发电机,采用d31型压电悬臂梁和电磁作为能量收集元件,具有结构简单、体积小、成本低、较高的悬臂梁能量转换密度等特点,然而此发电机并未充分利用每一个部位设置压电片,在外界环境一定的条件下,此发电机如需提高输出功率,仅靠增加悬臂梁上的压电片的数目,导致体积增大,功率密度实质上并未增加。
基于以上分析,本发明人对现有的复合式振动发电机的结构形态进行深入研究,并经多次改进,本案由此产生。
发明内容
 本发明的目的,在于提供一种Y型复合式振动发电机,该发电机把工作在拉伸压缩模态的压电元件和电磁元件集成在同一发电机的不同部位,从而提高振动能量的利用率,提高发电机的发电能力和输出功率密度。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种Y型复合式振动发电机,包括2个形状相同的框架、1个悬臂梁、2个永磁铁、2个线圈和至少1个压电片,其中,各框架均由从左到右的三段一体制成:左水平部、斜面部和右水平部,且左水平部与斜面部连接处外表面的夹角为钝角;悬臂梁固定端的上表面与一个框架左水平部的内表面接触,而所述固定端的下表面与另一个框架左水平部的内表面接触,且固定端、上、下框架紧密固定;2个永磁铁分别粘贴在悬臂梁自由端的上、下表面,并分别与上、下框架的右水平部相对应;2个线圈分别设于上、下框架右水平部的外表面,并分别与上、下永磁铁相对应;所述压电片粘贴在上、下框架斜面部的外表面。
上述发电机还包括至少一个压电膜,所述压电膜设于上、下框架斜面部的内表面,且所述压电膜上粘接有导电膜,引线焊接在导电膜上。
上述永磁铁包括绕线棒和线圈,绕线棒粘接在框架上,且线圈缠绕在绕线棒上。
上述框架的左水平部与斜面部连接处外表面的夹角为120度到165度之间。
采用上述方案后,本发明富有创新性地提出压电与电磁复合的振动发电机,这种结构形式的发电机可以利用其所有被设置的压电和电磁元件进行发电,在有限的体积内提高了输出功率,从而提高了输出功率密度。
附图说明
 图1是本发明第一实施例的结构示意图;
图2是本发明第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
 以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示,是本发明提供一种Y型复合式振动发电机的一种具体实施结构,包括两个结构、形态相同的框架1、悬臂梁2、两个永磁铁3、两个线圈4、5、6个压电片6、7、8、9、10、11和2个螺杆12,下面分别介绍。
框架1由铝材料一体制成,形状上从左向右分为三段:左水平部、斜面部和右水平部,其中,左水平部13长8.5mm,宽5mm,厚1mm;斜面部的左端与左水平部的右端相连,且在连接处斜面部与左水平部外表面的夹角为钝角,优选是在120度到165度之间,在本实施例中,将夹角设计为158度;所述斜面部的长为13.5mm,宽为5mm,厚1mm;右水平部的左端与斜面部的右端相连,且所述右水平部长6mm,宽5mm,厚1mm。
悬臂梁2是由磷青铜制成的金属薄片,为长方形形状,其一端为固定端,另一端为自由端,所述固定端的上表面与一个框架1左水平部的内表面接触,而固定端的下表面与另一个框架1左水平部的内表面接触,并使用2个螺杆12将上、下框架1和悬臂梁2固定在一起,使得悬臂梁2自由端尺寸为19.1mm(长)×5mm(宽)×0.1mm(厚),此时2个框架1构成Y型,且上、下框架1之间的距离为10.1mm。
永磁铁3由NdFeB制成,为圆柱形,直径为6mm,厚1mm,2个永磁铁3分别粘贴于悬臂梁2自由端的上、下表面,并分别与上、下框架1的右水平部相对应。
2个线圈4、5均是由绕线棒缠绕线圈而形成,所述绕线棒的高为3mm,缠绕线圈的匝数为1000,所述2个线圈4、5分别设于上、下框架1的右水平部的外表面,并与永磁铁3相对应。
上、下框架1的斜面部的外表面分别粘贴有数个压电片,在本实施例中,在上、下框架1的外表面分别粘贴3个由PZT压电陶瓷制成的压电片,如图1所示,各压电片均为长方形,尺寸为5mm(长)×4mm(宽) ×1mm(厚)。
工作时,将2个线圈4、5和6个压电片6、7、8、9、10、11分别连接到各自的最优电阻上,当发电机受到外部振动激励时,悬臂梁2作为能量收集元件和拾振元件开始振动,悬臂梁2自由端的永磁铁3撞击上、下框架1的端部,使得6个压电片受到拉伸和压缩而产生形变,由于压电效应,在所有的压电片中产生了交流电压,实现发电;同时,由于永磁铁3相对线圈4、5在振动,引起线圈周围所包围的磁通量随时间发生变化,从而在线圈内感应出电动势;同时,悬臂梁2的共振频率和所述Y型复合式振动发电机的振动频率一致。
图2所示是本发明的第二种具体实施结构,其与图1所示结构的不同在于:在上、下框架1斜面部的内表面还分别设置有压电膜14、15,所述压电膜由PVDF制成,具体实施时可在该压电膜上粘接导电膜,而引线焊接在导电膜上被引出,以避免对压电膜电极的破坏。
当发电机受到外部振动激励时,悬臂梁2自由端的永磁铁3撞击上、下框架1的端部,在带动6个压电片形变的同时,也会引起压电膜14、15的形变,从而使得压电膜14、15也会发电。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Y型复合式振动发电机,其特征在于:包括2个形状相同的框架、1个悬臂梁、2个永磁铁、2个线圈和至少1个压电片,其中,各框架均由从左到右的三段一体制成:左水平部、斜面部和右水平部,且左水平部与斜面部连接处外表面的夹角为钝角;悬臂梁固定端的上表面与一个框架左水平部的内表面接触,而所述固定端的下表面与另一个框架左水平部的内表面接触,且固定端、上、下框架紧密固定;2个永磁铁分别粘贴在悬臂梁自由端的上、下表面,并分别与上、下框架的右水平部相对应;2个线圈分别设于上、下框架右水平部的外表面,并分别与上、下永磁铁相对应;所述压电片粘贴在上、下框架斜面部的外表面。
2.如权利要求1所述的一种Y型复合式振动发电机,其特征在于:所述发电机还包括至少一个压电膜,所述压电膜设于上、下框架斜面部的内表面,且所述压电膜上粘接有导电膜,引线焊接在导电膜上。
3.如权利要求1所述的一种Y型复合式振动发电机,其特征在于:所述线圈包括绕线棒和线圈本体,绕线棒粘接在框架上,且线圈本体缠绕在绕线棒上。
4.如权利要求1所述的一种Y型复合式振动发电机,其特征在于:所述框架的左水平部与斜面部连接处外表面的夹角为120度到165度之间。
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