CN103227586A

CN103227586A - 分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法

Info

Publication number: CN103227586A
Application number: CN2013101257422A
Authority: CN
Inventors: 胡俊辉; 张广成
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-07-31

Abstract

一种分叉式悬臂梁振动发电机，其包括有悬臂梁及设置于所述悬臂梁根部的工作在拉伸压缩模态的压电元件,所述分叉式悬臂梁振动发电机还包括有设置在所述悬臂梁上的分叉及设置于所述分叉和悬臂梁的端部的配重，所述分叉的数量至少为一个，该发电机通过把分叉集成在同一悬臂梁的不同部位，以提高发电机的频域响应特性，且只使用一片压电元件，易于电能管理。

Description

分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法

技术领域

本发明涉及一种分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法，属于微型电源技术领域。

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发展。这些系统有些是分布式的，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，在某些情况下很难甚至无法更换电池，比如内嵌入到混泥土结构内部的无线传感器节点比如具有成千上万个无线传感器节点的无线传感器网。有些是是便携式的，需要自带电源。有些是移动式的，在某些条件下更换电池需要大量的人力、财力和物力，比如植入到野生动物身体内的全球定位系统跟踪设备。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振动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不尽的电能，增强了系统的可靠性，以及降低了系统的维护成本。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。现有技术中，微型振动发电机采用d31型压电悬臂梁作为能量收集元件。此类发电机利用悬臂梁的共振模态回收外界能量，其带宽较窄，能量利用率不高。现有技术中，若需要增加峰的数目需要将悬臂梁发电机阵列式排列，由此会需要多个储能元件（压电陶瓷），造成电能管理上的困难。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法，该发电机通过把分叉集成在同一悬臂梁的不同部位，以改善发电机的频域响应特性，且只使用一片压电元件，易于电能管理。

本发明采用如下技术方案：一种分叉式悬臂梁振动发电机，其包括有悬臂梁及设置于所述悬臂梁根部的压电元件,所述分叉式悬臂梁振动发电机还包括有设置在所述悬臂梁上的分叉及设置于所述分叉和悬臂梁的端部的配重，所述分叉的数量至少为一个。

所述分叉设置于所述悬臂梁的单侧。

所述分叉设置于所述悬臂梁的两侧。

所述分叉的材料，形状，长度相同或不同。

所述分叉对称设置于所述悬臂梁的两侧。

所述分叉非对称设置于所述悬臂梁的两侧。

所述配重的尺寸，形状，材料相同或不同。

本发明还采用如下技术方案：一种分叉式悬臂梁振动发电机的发电方法，其包括有如下步骤：将悬臂梁无配重一端固定在外界激励上，外界激励下振动发电机上下振动，压电元件出现伸缩形变，利用压电效应，在压电元件中产生了交流电压；利用不同分叉所具有的不同共振频率，充分回收具有多种频率分量的环境振动能量。

所述配重的尺寸，形状，材料相同或不同。

本发明具有如下有益效果: 本发明分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法，通过把一个压电元件，多个分叉及悬臂梁集成在一起，产生发电机的多个共振点，改善其频率响应特性。悬臂梁无配重一端固定在外界激励上，其两侧或单侧分布不同长度的分叉。压电元件粘贴在悬臂梁的根部上。当此振动发电机上下振动时，压电元件因拉伸和收缩而发电。使得该振动发电机充分回收具有多种频率的环境振动能量，从而改善了发电机的频域响应特性。

附图说明

图1为分叉式悬臂梁振动发电机的正面结构示意图。

图2为图1所示的分叉式悬臂梁振动发电机的反面结构示意图。

图3为本发明所列举实施例中开路电压有效值-频率分布结果图。

其中：

1-压电元件、2-悬臂梁、3-第一分叉、4-第二分叉、5-第三分叉、6-第四分叉、7-第五分叉、8-第六分叉、9-配重。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

请结合图1至图2所示，本发明分叉式悬臂梁振动发电机包括有悬臂梁2，第一分叉3、第二分叉4、第三分叉5、第四分叉6、第五分叉7、第六分叉8，设置（粘贴）于悬臂梁2根部的压电元件1及设置（粘贴）于前述分叉3、4、5、6、7、8和悬臂梁2的端部的配重9。所述分叉式悬臂梁振动发电机的中分叉的数量至少为一个，且前述分叉3、4、5、6、7、8可设置在悬臂梁的单侧或两侧，且分叉3、4、5、6、7、8可对称放置或非对称放置。同时分叉3、4、5、6、7、8固定在悬臂梁2上的位置，角度均可调整。进一步的，分叉3、4、5、6、7、8的材料，形状，长度可相同，可不同。更进一步的，粘贴于前述分叉3、4、5、6、7、8和悬臂梁2的端部的各个配重9的尺寸，形状，材料可相同，可不同。

下面借助于一个实施例说明本发明分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法，下述实施例中，压电元件1的尺寸为10*5*1mm,压电元件1左端粘贴于距离悬臂梁2左端23mm处，居中放置，悬臂梁2的尺寸为70*12*0.2mm,第一分叉3的尺寸为71*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端53mm处，第二分叉4的尺寸为55*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端42mm处，第三分叉5的尺寸为45*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端31mm处，第四分叉6的尺寸为90*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端53mm处，第五分叉7的尺寸为62*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端42mm处，第六分叉8的尺寸为50*8*0.2mm,固定于左端距离悬臂梁2左端31mm处，材料为铜，分叉3、4、5、6、7、8与悬臂梁2夹角固定为60°，配重9的尺寸为8*6*4mm,固定于悬臂梁2及分叉3、4、5、6、7、8端部，材料为钢。悬臂梁2无配重一端固定在外界激励上。固定振幅为0.4mm,采用正弦激励。

压电元件1作为能量收集元件，在外界激励下振动时，压电片出现形变，由于压电效应，在压电元件中产生了交流电压。

试验中开路电压有效值-频率分布结果如图3所示。

通过上述实施例，可以发现，由于分叉式悬臂梁发电机具有多个弯曲振动模态，所以可以弥补传统悬臂梁发电机发电功率-激励频率曲线上只有单个峰值的不足，随着分叉数量的增加，发电机发电功率-激励频率曲线上的数量随之增加。

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

1.一种分叉式悬臂梁振动发电机，其包括有悬臂梁及设置于所述悬臂梁根部的压电元件，其特征在于：所述分叉式悬臂梁振动发电机还包括有设置在所述悬臂梁上的分叉及设置于所述分叉和悬臂梁的端部的配重，所述分叉的数量至少为一个。

2.如权利要求1所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述分叉设置于所述悬臂梁的单侧。

3.如权利要求1所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述分叉设置于所述悬臂梁的两侧。

4.如权利要求1-3任意一项所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述分叉的材料，形状，长度相同或不同。

5.如权利要求3所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述分叉非对称设置于所述悬臂梁的两侧。

6.如权利要求3所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述分叉对称设置于所述悬臂梁的两侧。

7.如权利要求1所述的分叉式悬臂梁振动发电机，其特征在于：所述配重的尺寸，形状，材料相同或不同。

8.一种如权利要求1所述的分叉式悬臂梁振动发电机的发电方法，其特征在于：将悬臂梁无配重一端固定在外界激励上，外界激励下振动发电机上下振动，压电元件出现伸缩形变，利用压电效应，在压电元件中产生了交流电压；利用不同分叉所具有的不同共振频率，充分回收具有多种频率分量的环境振动能量。

9.如权利要求8所述的分叉式悬臂梁振动发电机的发电方法，其特征在于：所述配重的尺寸，形状，材料相同或不同。