CN105337531A - 一种压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电发电装置，包括：外框架、主悬臂梁、质量可调节的主质量块、两根二级悬臂梁和两个质量可调节的二级质量块，主悬臂梁、主质量块、两根二级悬臂梁和两个二级质量块均位于外框架内侧，主悬臂梁的一端与外框架连接，另一端与主质量块连接，主质量块还与每根二级悬臂梁的一端连接，每根二级悬臂梁的另一端连接一个二级质量块，主悬臂梁与二级悬臂梁均为上下表面分别设置有压电单元的金属梁；本发明采用一个主悬臂梁，两个二级悬臂梁构成三自由度压电梁结构，通过多个谐振频率不同的悬臂梁，拓宽了压电发电机的工作频带；主质量块和二级质量块均可根据实际需要增减质量，灵活调整谐振频率，使本发明适应不同振动频率周围环境。

Description

一种压电发电装置

技术领域

本发明涉及利用压电效应发电领域，特别涉及一种压电发电装置。

背景技术

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。为了解决低功率电子器件的能源问题，人们提出了将周围环境中的振动能通过压电效应转换为电能的压电发电机。压电发电机的输出功率在谐振条件下达到最大值，当环境振动的频率偏离压电发电机的谐振频率时，压电发电机的输出功率快速减小。

现有的压电发电机包括紧固在一起的外壳体和内壳体，外壳体和内壳体内设有发条驱动轴，发条驱动轴上设有螺旋环绕的外发条和内发条，外发条和内发条上均匀分布有压电陶瓷片，外发条和内发条的尾部通过环形扣挂在内发条锁扣和外发条锁扣上；当旋转发条驱动轴的时候，使内发条和外发条产生形变，通过设置的压电陶瓷片由正压电效应将储存的机械能转化为电能。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术中只通过一同螺旋环绕的外发条和内发条产生形变从而发电，但外发条和内发条的谐振频率固定单一，如果周围环境的振动频率低于压电发电机的谐振频率时，现有的压电发电机难以有效收集低频率能量，从而无法继续发电，使用范围较窄。

发明内容

为了解决现有技术难以有效收集低频率能量，使用范围较窄的问题，本发明实施例提供了一种压电发电装置。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种压电发电装置，所述压电发电装置包括：外框架、一根主悬臂梁、质量可调节的主质量块、两根二级悬臂梁和两个质量可调节的二级质量块，所述主悬臂梁、所述主质量块、两根所述二级悬臂梁和两个所述二级质量块均位于所述外框架内侧，所述主悬臂梁的一端与所述外框架连接，另一端与所述主质量块连接，所述主质量块还与每根二级悬臂梁的一端连接，每根二级悬臂梁的另一端连接一个所述二级质量块，所述主悬臂梁与所述二级悬臂梁均为上下表面分别设置有压电单元的金属梁。

结合第一方面，第一方面的第一种实施方式下，所述主质量块与所述二级质量块均包括多个相互叠加的薄质量片。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，第一方面的第二种实施方式下，所述外框架为方形封闭框架，所述主悬臂梁的一端与所述外框架的第一侧壁连接，另一端向与第一侧壁相对的第二侧壁延伸且与所述主质量块连接，所述主质量块位于所述主悬臂梁与所述第二侧壁之间，两根所述二级悬臂梁对称且平行的设置在所述主悬臂梁两侧，且两根所述二级悬臂梁均位于所述第一侧壁与所述主质量块之间。

结合第一方面的第二种实施方式，第一方面的第三种实施方式下，所述压电发电装置还包括两块磁铁，两块所述磁铁均设置在所述主质量块与所述第二侧壁之间，一块所述磁铁与所述主质量块固定，另一块所述磁铁与所述第二侧壁固定，且两块所述磁铁同极相对。

结合第一方面的第一至第三种实施方式，第一方面的第四种实施方式下，所述主质量块与所述第二侧壁上各设置有一个凹槽，两个所述凹槽开口相对且均位于所述主质量块与所述第二侧壁之间，两个所述凹槽分别用于容纳所述两块磁铁。

结合第一方面的第四种实施方式，第一方面的第五种实施方式下，所述主质量块在所述主悬臂梁的宽度方向和厚度方向对称分布，且两个所述凹槽沿所述主悬臂梁宽度方向的中心线对称分布。

结合第一方面，第一方面的第六种实施方式下，所述主悬臂梁与所述二级悬臂梁均为片状金属梁，且所述主悬臂梁上的所述压电单元与主悬臂梁的宽度、长度均相同，所述二级悬臂梁上的所述压电单元与二级悬臂梁的宽度、长度均相同。

结合第一方面，第一方面的第七种实施方式下，所述外框架包括上下扣合的结构尺寸相同的上框架和下框架，所述主悬臂梁的端部为所述上框架和所述下框架之间。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明采用一个主悬臂梁，两个二级悬臂梁构成三自由度压电梁结构，结构简单、紧凑，通过多个谐振频率不同的悬臂梁，拓宽了压电发电机的工作频带，而且，本发明的主质量块和二级质量块均由多个薄质量片连接而成，可根据实际需要增减薄质量片的数量，从而改变主质量块和二级质量块的质量，从而灵活调整主悬臂梁和二级悬臂梁的谐振频率，使得本发明能够适应不同振动频率的周围环境，使用范围较广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压电发电装置的结构示意图；

图2为发明又一实施例提供的主悬臂梁结构示意图；

图3为发明又一实施例提供的主悬臂梁结构示意图；

图4为发明又一实施例提供的主质量块结构示意图；

图5为发明又一实施例提供的二级悬臂梁结构示意图；

图6为发明又一实施例提供的外框架结构示意图。

其中：1主悬臂梁，11压电单元，

2主质量块，21薄质量片，

3二级悬臂梁，

4二级质量块，

5外框架，51第一侧壁，52第二侧壁，53上框架，54下框架，

6磁铁，

7凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压电发电装置，所述压电发电装置包括：外框架5、一根主悬臂梁1、质量可调节的主质量块2、两根二级悬臂梁3和两个质量可调节的二级质量块4，所述主悬臂梁1、所述主质量块2、两根所述二级悬臂梁3和两个所述二级质量块4均位于所述外框架5内侧，所述主悬臂梁1的一端与所述外框架5连接，另一端与所述主质量块2连接，所述主质量块2还与每根二级悬臂梁3的一端连接，每根二级悬臂梁3的另一端连接一个所述二级质量块4，所述主悬臂梁1与所述二级悬臂梁3均为上下表面分别设置有压电单元11的金属梁。

其中，主悬臂梁1、主质量块2、二级悬臂梁3之间的连接均可通过螺栓等连接件实现固定连接，通过外力使主悬臂梁1、二级悬臂梁3产生振动形变，从而使其上产生电荷，通过设置的压电单元11由正压电效应将储存的机械能转化为电能。

压电发电装置的输出功率在谐振条件下达到最大值，当环境振动的频率偏离压电发电机的谐振频率时，压电发电机的输出功率快速减小。本发明采用一个主悬臂梁1，两个二级悬臂梁3构成三自由度压电梁结构，结构简单、紧凑，通过设置多个谐振频率不同的悬臂梁，拓宽了压电发电机的工作频带，可大大提高本发明的发电效率；而且，本发明的主质量块2和二级质量块4均由多个薄质量片21连接而成，可根据实际需要增减薄质量片21的数量，从而改变主质量块2和二级质量块4的质量，从而调整主悬臂梁1和二级悬臂梁3的谐振频率，使得本发明能够适应不同振动频率的周围环境，使用范围较广。

如图4所示，所述主质量块2与所述二级质量块4均包括多个相互叠加的薄质量片21。多个相互叠加的薄质量片21一般通过螺栓等连接件进行连接，使用时，根据实际情况灵活调整本发明中主质量块2与二级质量块4的薄质量片21的数量，以使其质量呈现不同的变化，从而使得与主质量块2与二级质量块4连接的主悬臂梁1和二级悬臂梁3的谐振频率进行不同变化，最大程度的收集环境中能量进行发电，在各种不同频率的环境，均能够使主悬臂梁1和二级悬臂梁3产生谐振，已达到最大输出功率。当然，本领域技术人员可知，质量可调节的主质量块2与二级质量块4也可采用其它方案，如叠加的金属块等，只要实现质量可调节即可。

如图1所示，也可参见图6，所述压电发电装置还包括两块磁铁6，两块所述磁铁6均设置在所述主质量块2与所述第二侧壁52之间，一块所述磁铁6与所述主质量块2固定，另一块所述磁铁6与所述第二侧壁52固定，且两块所述磁铁6同极相对。

所述主质量块2与所述第二侧壁52上各设置有一个凹槽7，两个所述凹槽7开口相对且均位于所述主质量块2与所述第二侧壁52之间，两个所述凹槽7分别用于容纳所述两块磁铁6。

其中，磁铁6一般采用永久磁铁6，凹槽7的形状大小可根据磁铁6的形状大小灵活设置，互相匹配即可，安装时，使两个磁铁6从凹槽7的开口裸露出来，互相的同极相对，如两个磁铁6的N极相对，使其互相产生作用力，具体原理如下：主悬臂梁1自由端的磁铁6，即嵌入主质量块2的磁铁6与嵌入外框架5的磁铁6之间存在斥力作用，导致主悬臂梁1在振动方向形成双稳态结构。当把本发明放置于振动的环境中，在一定的振动条件下，主悬臂梁1在两个稳态间相互切换，主悬臂梁1上下表面的压电元件产生交变应变，从而输出交变电能。同时，二级悬臂梁3与主悬臂梁1自由端通过主质量块2固定连接，当主悬臂梁1在外界低频激励下从一个稳态跳转到另一个稳态后，二级悬臂梁3在主悬臂梁1的带动下以自身的固有频率作机械阻尼振动，导致二级悬臂梁3上下表面的压电元件产生交变应变，并输出交变电能。二级悬臂梁3的谐振频率高于主悬臂梁1的谐振频率，因而可将外界的低频振动转换为高频振动，达到升频的目的。由于存在阻尼，二级悬臂梁3的振动幅度逐渐减小，但在某一时刻，主悬臂梁1再次跳转到另一个稳态时，将带动二级悬臂梁3继续振动。因此，只要外界振动可提供主悬臂梁1在两个稳态间切换的临界力，二级悬臂梁3就可以不断获得足够的激励，从而作高频的机械阻尼振动，实现低频激励下获得较大的输出功率。最终使主悬臂梁1更有利于收集环境中幅度大、频率低的振动能，而两个二级悬臂梁3不仅可以增加压电发电机的输出功率，而且可以在主悬臂梁1低频振动的激励下，以更高的频率振动，提升环境振动的频率。

如图6所示，所述外框架5为方形封闭框架，所述主悬臂梁1的一端与所述外框架5的第一侧壁51连接，另一端向与第一侧壁51相对的第二侧壁52延伸且与所述主质量块2连接，所述主质量块2位于所述主悬臂梁1与所述第二侧壁52之间，如图5所示，两根所述二级悬臂梁3对称且平行的设置在所述主悬臂梁1两侧，且两根所述二级悬臂梁3均位于所述第一侧壁51与所述主质量块2之间。

其中，两个二级悬臂梁3沿主悬臂梁1的宽度方向对称分布于主悬臂梁1的两侧，且两根所述二级悬臂梁3均位于所述第一侧壁51与所述主质量块2之间，可以减小压电发电装置在长度方向的尺寸，最大化的缩小本发明的尺寸，可以集成在各种卫星设备上。

如图1所示，所述主质量块2在所述主悬臂梁1的宽度方向和厚度方向对称分布，且两个所述凹槽7沿所述主悬臂梁1宽度方向的中心线对称分布。如此设置可以防止主悬臂梁1的扭转变形，使主悬臂梁1上、下表面的压电元件产生对称的应变。

如图2和图3所示，所述主悬臂梁1与所述二级悬臂梁3均为片状金属梁，且所述主悬臂梁1上的所述压电单元11与主悬臂梁1的宽度、长度均相同，所述二级悬臂梁3上的所述压电单元11与二级悬臂梁3的宽度、长度均相同。如此设置可以将压电元件的有效面积最大化，提高本发明的输出电荷。

如图6所示，所述外框架5包括上下扣合的结构尺寸相同的上框架53和下框架54，所述主悬臂梁1的端部夹持在所述上框架53和所述下框架54之间，如此设置，使得主悬臂梁1能够稳固的加持在上框架53和下框架54之间，便于主悬臂梁1的稳固定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电发电装置，其特征在于，所述压电发电装置包括：外框架、一根主悬臂梁、质量可调节的主质量块、两根二级悬臂梁和两个质量可调节的二级质量块，所述主悬臂梁、所述主质量块、两根所述二级悬臂梁和两个所述二级质量块均位于所述外框架内侧，所述主悬臂梁的一端与所述外框架连接，另一端与所述主质量块连接，所述主质量块还与每根二级悬臂梁的一端连接，每根二级悬臂梁的另一端连接一个所述二级质量块，所述主悬臂梁与所述二级悬臂梁均为上下表面分别设置有压电单元的金属梁。

2.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述主质量块与所述二级质量块均包括多个相互叠加的薄质量片。

3.根据权利要求1或2所述的压电发电装置，其特征在于，所述外框架为方形封闭框架，所述主悬臂梁的一端与所述外框架的第一侧壁连接，另一端向与第一侧壁相对的第二侧壁延伸且与所述主质量块连接，所述主质量块位于所述主悬臂梁与所述第二侧壁之间，两根所述二级悬臂梁对称且平行的设置在所述主悬臂梁两侧，且两根所述二级悬臂梁均位于所述第一侧壁与所述主质量块之间。

4.根据权利要求3所述的压电发电装置，其特征在于，所述压电发电装置还包括两块磁铁，两块所述磁铁均设置在所述主质量块与所述第二侧壁之间，一块所述磁铁与所述主质量块固定，另一块所述磁铁与所述第二侧壁固定，且两块所述磁铁同极相对。

5.根据权利要求4所述的压电发电装置，其特征在于，所述主质量块与所述第二侧壁上各设置有一个凹槽，两个所述凹槽开口相对且均位于所述主质量块与所述第二侧壁之间，两个所述凹槽分别用于容纳所述两块磁铁。

6.根据权利要求5所述的压电发电装置，其特征在于，所述主质量块在所述主悬臂梁的宽度方向和厚度方向对称分布，且两个所述凹槽沿所述主悬臂梁宽度方向的中心线对称分布。

7.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述主悬臂梁与所述二级悬臂梁均为片状金属梁，且所述主悬臂梁上的所述压电单元与主悬臂梁的宽度、长度均相同，所述二级悬臂梁上的所述压电单元与二级悬臂梁的宽度、长度均相同。

8.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，所述外框架包括上下扣合的结构尺寸相同的上框架和下框架，所述主悬臂梁的端部为所述上框架和所述下框架之间。