CN102790547B - 双稳态双悬臂梁压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，壳体内固定有一夹具，夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；双稳态压电悬臂振子结构包括与夹具固定的双晶压电悬臂梁，双晶压电悬臂梁的自由端设有第一永久磁铁，在同侧的壳体内壁上、且与第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，两永久磁铁按照磁极相对放置；双晶压电悬臂梁包括弹性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的压电层，弹性梁和压电层的宽度及长度均分别相等；压电层的上下两面均分别设有电极。本发明固有的非线性特性可实现宽低频激励下的大幅运动，可有效利用环境振动进行发电，提高发电效率。将两组压电悬臂梁组合起来可有效提高单位时间内装置的发电量。

Description

双稳态双悬臂梁压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，可有效利用周围环境的振动能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

利用压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动动能转化成可利用的电能，压电材料结构简单、绿色环保、能量密度大、无电磁干扰且易于加工和实现微型化、集成化，具有明显优势。压电发电装置可用于微电子设备及移动电子设备等的供电，实现电子设备的自供能，免去更换电池或频繁充电带来的不便，从而提高电子设备的免维护性、使用寿命和使用范围。

悬臂梁是压电发电装置中最常用的结构方式，例如，中国专利CN101944860A公布了一种压电悬臂梁振动能量采集器用于微机电系统供电，美国专利WO2007121092A3也公布了一种用于MEMS供电的悬臂式压电能量回收装置。上述发电装置只有达到谐振工作状态时才能收集较多的能量，然而环境振动通常是随机的低宽频激励，使压电悬臂梁很难工作在共振状态。为解决这一问题，美国专利WO2010151738A3公开了一种双稳态压电悬臂梁发电装置，与线性发电结构相比，输出电压提高了2倍（开路状态），输出功率高出8倍。中国专利CN102064745A也公开了一种双稳态压电悬臂梁振子装置，在一定程度上提高了宽带低频振动环境下压电振动的发电效率。但上述各技术方案均是利用单个压电悬臂梁进行发电，结构本身的限制使得对环境振动能的利用率低，单位时间内的发电量较小。

发明内容

针对上述现有技术中仍需改进之处，本发明提供一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，以更适应环境振动激励的特点，提高发电量和发电效率。

为了解决上述技术问题，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置予以实现的技术方案是：包括壳体，所述壳体内的中间位置固定有一夹具，所述夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具上的一双晶压电悬臂梁，所述双晶压电悬臂梁的自由端设有第一永久磁铁，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁按照磁极相对放置；所述双晶压电悬臂梁包括弹性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的第一压电层和第二压电层，所述弹性梁、第一压电层、第二压电层的宽度及长度均分别相等；第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极。

进一步讲，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置，其中，夹具两端的两个压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置。所述夹具的高度大于双晶压电悬臂梁的最大挠度。

所述弹性梁选用铜和单晶硅中的一种。

所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的一种。

所述电极由镀铂金层或镀银层构成，所述电极设有引出导线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）将双稳态振动系统用于压电发电中，利用结构固有的非线性特性，在环境振动激励和磁力的共同作用下压电悬臂梁振子会发生随机共振现象，振子在两个稳态点之间做大幅周期运动。这种低宽频激励下的随机共振，克服了线性系统只在固有频率附近才能发生共振的限制，从而提高发电效率。

（2）将两组双稳态压电悬臂梁振子对称固定在同一夹具上，当外界环境的振动频率落在本发电装置的谐振频带内时，两组发电振子将同时工作，从而有效提高单位时间内装置的发电量。

本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置置于电子设备或交通工具上，可将周围环境的振动能转化为电能，而双稳态压电发电结构固有的非线性特性，可实现宽低频激励下的大幅运动，从而有效利用环境振动进行发电，提高发电效率。同时，将两组压电悬臂梁组合起来以提高发电量。

附图说明

图1是双稳态双悬臂梁压电发电装置三维模型视图；

图2是双稳态双悬臂梁压电发电装置的主视图；

图3是上下表面均粘贴有压电层的双晶压电悬臂梁3的局部结构示意图；

图4是两永久磁铁间排斥力作用示意图；

图5是双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图；

图6是双稳态压电悬臂梁振子振动响应的时间历程图。

图中：

1-壳体            2-夹具          3-双晶压电悬臂梁        4-第一永久磁铁

5-第二永久磁块    6-第一压电层    7-第二压电层            8-导线

9-电极

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1和图2所示，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置，包括壳体1，所述壳体1内的中间位置固定有一夹具2，所述夹具2的两端与同侧的壳体1内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构，夹具2两端的两个双稳态压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置，所述夹具2的高度大于双晶压电悬臂梁3的最大挠度；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具2上的一双晶压电悬臂梁3，所述双晶压电悬臂梁3的自由端设有第一永久磁铁4，在同侧的壳体1内壁上、且与所述第一永久磁铁4同一水平位置处固定有第二永久磁铁5，所述第一永久磁铁4和第二永久磁铁5按照磁极相对放置；所述双晶压电悬臂梁3包括弹性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的第一压电层6和第二压电层7，所述弹性梁选用铜和单晶硅中的一种，所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的一种。所述弹性梁、第一压电层6、第二压电层7的宽度及长度均分别相等；第一压电层6和第二压电层6的上下两面均分别设有电极9，所述电极9由镀铂金层或镀银层构成，所述电极9设有引出导线8。

本发明中的夹具2的轮廓为长方体形状，当环境振动时，外界的机械振动能会传递给夹具2以带动夹具两侧的两组双晶压电悬臂梁3发生横向振动，此时，位于双晶压电悬臂梁3上下两侧面的第一压电层6和第二压电层7发生形变产生电荷。将夹具2的高度设计为大于双晶压电悬臂梁3的最大挠度，以防止双晶压电悬臂梁3与壳体1发生碰撞，避免压电振子的损坏。双晶压电悬臂梁3上下面上的第一压电层6和第二压电层7之间采用串联或并联连接。每个压电层的上下表层均镀有电极9并焊有引线作为导线8，以方便后续的收集存储装置的连接。所述第一、第二永久磁铁为矩形磁块，将位于夹具2同一侧的两个永久磁铁按照磁极相对放置，所产生的排斥力，使得压电悬臂梁振子结构在适当条件下（即压电振子为负刚度系统时）发生随机共振，此时，两组压电悬臂梁振子均发生持续大幅运动，以实现振动能向电能的转化。

实施例：

如图1所示，包括壳体1、夹具2及对称于夹具2竖直中心面放置的两个双晶压电悬臂梁3分别固定在夹具2的两侧，在两个双晶压电悬臂梁3的上下表面均分别粘贴有第一压电层6和第二压电层7，在两个双晶压电悬臂梁3的自由端均分别粘贴有第一永久磁铁4，在壳体1的左右两内侧壁上固定第二永久磁铁5，并保证第二永久磁铁5与第一永久磁铁4在同一个水平位置，而且第一永久磁铁4和第二永久磁铁5按照同磁极一侧相对放置。图3示出了上、下表面均粘贴有压电层的双晶压电悬臂梁3的局部结构，以单侧双晶压电悬臂梁3为例，压电层6和7分别粘贴在双晶压电悬臂梁3的上下表面，而每个压电层6、7的上下表面又分别镀有电极9，进而通过导线8与整流存储电路连接。

使用时，先将整个装置置于电子设备中，当外界环境振动时，夹具2会随之而产生振动，于是固定在夹具两侧的双晶压电悬臂梁3发生横向受迫振动，压电层（压电陶瓷）随之发生形变，从而实现环境振动机械能向电能的转化。

实施例中压电层选用PZT-5A压电陶瓷，第一永久磁铁4和第二永久磁铁5均采用钕铁硼超强矩形磁铁。下表是本发明中压电悬臂振子结构参数：

图4是本发明中两第一、第二永久磁铁间排斥力作用示意图，第一永久磁铁和第二永久磁铁的长度尺寸为l0，两永久磁铁相邻端面之间的水平距离为d，改变间距d的大小会引起两磁铁之间排斥力F_g大小的改变，当间距d调整到合适的范围内时，非线性势函数会出现两个稳态势阱，从而使压电悬臂梁振子构成一个双稳态系统。

图5是利用matlab（在数值计算、数值仿真、工程绘图等方面应用广泛，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，本发明所使用的版本是2010a）数值仿真得到的双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图，图5中的a是压电悬臂梁振子模型的刚度系数，且

$a=\frac{{3\mathrm{\μ}}_0{M}^2{V}^2}{{2\mathrm{\π\δ}}^{4}L}-k$

其中，μ0=4π×10^-7H/m为真空磁导率，M为磁铁的磁化强度，V为磁铁的体积，δ为两磁铁中心之间的水平距离，L为梁端部磁铁中心到梁根部的水平距离，k是不加磁铁时悬臂梁的刚度。

当a为正值时，悬臂梁振子才可能构成双稳态系统。通过实验得当端面间距10mm<d＜13.2mm时，振子构成双稳态系统，可产生随机共振现象。最终将间距d确定为12mm。根据实验结果得，基于上述结构尺寸下的双稳态双悬臂梁压电发电装置在频率8.5Hz-17Hz之间时发生随机共振现象，图6是本实施例所得双稳态压电悬臂梁振子振动响应的时间历程图。

上述文字是以特定的实施例对本发明进行的描述，但本发明不限于上述实施例的特定参数，该实施例仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明技术方案的启示下，按照本发明的技术原理，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，诸如，双晶压电悬臂梁的材料、尺寸，永久磁铁的大小，两永久磁铁之间的距离可根据具体情况进行调整，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，包括壳体，其特征在于，所述壳体内的中间位置固定有一夹具，所述夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具上的一双晶压电悬臂梁，所述双晶压电悬臂梁的自由端设有第一永久磁铁，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁按照磁极相对放置；

所述双晶压电悬臂梁包括弹性梁，以及分别粘贴在弹性梁上下表面的第一压电层和第二压电层，所述弹性梁、第一压电层、第二压电层的宽度及长度均分别相等；

第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极。

2.根据权利要求1所述双稳态双悬臂梁压电发电装置，其特征在于，夹具两端的两个压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置。

3.根据权利要求1所述双稳态双悬臂梁压电发电装置，其特征在于，所述夹具的高度大于双晶压电悬臂梁的最大挠度。

4.根据权利要求1所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。

5.根据权利要求1所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的一种。

6.根据权利要求1所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述电极由镀铂金层或镀银层构成，所述电极设有引出导线。