CN105958865A - 基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等腰梯形悬臂梁的压电‑电磁俘能装置，包含基座，基座呈正多边形，每条边均设有一个悬臂梁；悬臂梁呈等腰梯形，其底边与基座的边固定相连，且与基座处于同一平面；悬臂梁的上设有压电片；悬臂梁远离基座一端的上表面和下表面分别设有第一永磁铁、第二永磁铁；第一永磁体上设有第一感应线圈，第二永磁铁下设有第二感应线圈；第一感应线圈、第二感应线圈之间通过连接杆固定连接；第一感应线圈上设有定滑轮，定滑轮上设有连接线，连接线一端和第一感应线圈相连，另一端和第一永磁体相连。本发明更适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动，能量回收效率高。

Description

基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置。

背景技术

信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。因此寻找可替代能源成为当今研究的热点。其中可行的方法是从周围环境振动中俘获能量。在我们生活环境的周围，存在着各种各样的废弃的能量，例如太阳能、压力能、机械振动能等。太阳能和压力能虽然其能量密度比较高，但是由于其能量采集和供给技术的限制很难被广泛的应用到生活中。

比较上述能量采集方法，压电材料具有能耗低，易于微型化等特点，压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，因此压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前现有压电振动发电装置环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的问题，提供一种基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，使压电发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、大振幅以及高强度振动，能量回收效率高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，包含基座，所述基座呈正多边形，且基座的每条边均设有一个悬臂梁；

所述悬臂梁呈等腰梯形，其底边与基座的边固定相连，且与基座处于同一平面；

所述悬臂梁的上设有压电片。

正多边形的基座可以使向四周扩散的振动能传递到每一个梁上，可以更好的利用环境振动能量，提高能量利用率。

对于悬臂梁的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁的结构是在保证悬臂梁可以正常工作的情况下，悬臂梁尽可能长，可以降低悬臂梁的谐振频率。

多个悬臂梁通过基座复合在一起，可以使悬臂梁在低频范围内可以出现多阶谐振频率，也可以降低各阶谐振频率之间的差值，拓宽其频带，使其对低频环境的适用性更广。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述悬臂梁的上表面和下表面上均设有压电片。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述压电片的形状与悬臂梁的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁的表面上。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用串联结构。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用并联结构。

悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述基座为正六边形。

作为本发明基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置进一步的优化方案，所述悬臂梁远离基座一端的上表面和下表面分别设有第一永磁铁、第二永磁铁；

所述第一永磁体上设有第一感应线圈，所述第二永磁铁下设有第二感应线圈；

所述第一感应线圈、第二感应线圈之间通过连接杆固定连接；

所述第一感应线圈上设有定滑轮，定滑轮上设有连接线，连接线一端和第一感应线圈相连，另一端和第一永磁体相连。

第一永磁铁和第二永磁铁一方面可以用于悬臂梁自由端的质量块，降低悬臂梁的谐振频率，另一方面，当悬臂梁振动时，感应线圈会产生感应电动势；另外，永磁铁上下运动也会带动悬臂梁的上下运动，悬臂梁就会产生形变，由于正压电效应，悬臂梁上下表面的压电片就会产生电势差；在滑轮的带动下，保证永磁铁和感应线圈相向运动；使永磁铁和感应线圈可以相向运动，提高输出值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 采用的等腰梯形悬臂梁获得较为均匀的应力分布和较大的应力值，多个悬臂梁的结构可以使压电装置在低频范围内存在多阶谐振频率，并且各阶谐振频率之间的差值较小，拓宽了频带，使其对低频环境的适用性更广；

2． 第一永磁铁和第二永磁铁一方面当做质量块，降低了悬臂梁的谐振频率，使其对低频环境的适应性更强；另一方面，与单一永磁铁和单一感应线圈装置比较，本发明中的永磁铁和感应线圈通过滑轮的相向运动使电磁发电的能力显著提高；

3. 压电和电磁的耦合作用，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。

附图说明

图1 是本发明基底采用正六边形的结构示意图；

图2 是本发明基底采用正六边形的俯视图；

图3 是本发明基底采用正六边形时一个悬臂梁的结构示意图。

图中，1-基座，2-悬臂梁，3-压电片，4-永磁铁，5-感应线圈；6-连接杆，7-定滑轮，8-固定支架，9-连接线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，包含基座，所述基座呈正多边形，且基座的每条边均设有一个悬臂梁；所述悬臂梁呈等腰梯形，其底边与基座的边固定相连，且与基座处于同一平面；所述悬臂梁的上设有压电片。

所述悬臂梁的上表面和下表面上均可以设置压电片，压电片的形状与悬臂梁的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁的表面上。

悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片可以采用串联结构，也可以采用并联结构，若采用串联结构，可以获得较大的输出电压；若采用并联结构，可以获得较大的输出电流。

所述悬臂梁远离基座一端的上表面和下表面分别设有第一永磁铁、第二永磁铁；所述第一永磁体上设有第一感应线圈，所述第二永磁铁下设有第二感应线圈；所述第一感应线圈、第二感应线圈之间通过连接杆固定连接；所述第一感应线圈上设有定滑轮，定滑轮上设有连接线，连接线一端和第一感应线圈相连，另一端和第一永磁体相连。

如图1和图2所示，下面以基座采用正六边形为例进行说明：

基底的底座A是一个正六边形，梁a、b、c、d、e、f是规格相同的等腰梯形的悬臂梁（由于梁a、b、c、d、e、f的规格都是相同的，所以下文中均以梁a为例进行说明）。当底座A受到振动源的激励后，基座A可以使向四周扩散的振动能传递到四周的梁a、b、c、d、e、f上，可以更好的利用环境振动能量，提高能量利用率。对于悬臂梁a的结构，与矩形相比，等腰梯形的应力分布较为均匀并且应力较大；悬臂梁a的结构是在保证悬臂梁可以正常工作的情况下，悬臂梁的长度要长，可以降低悬臂梁的谐振频率；六个梁通过基座复合在一起，可以使悬臂梁在低频范围内可以出现多阶谐振频率，也可以降低各阶谐振频率之间的差值，使其对低频环境的适用性更广。

图3 是本发明基底采用正六边形时一个悬臂梁的结构示意图，其工作过程如下：

外界力作用在基座上时，基座会把振动能量传递给四周的悬臂梁，悬臂梁振动会带动着悬臂梁基底弯曲，产生形变，那么粘贴在悬臂梁上下表面的压电片也会随之产生形变，由于压电片是具有压电效应的压电材料，当压电片产生形变时会引起压电片表面的带电粒子偏离平衡位置，进而压电片的上下表面就会产生电势差；另外，悬臂梁的振动也会带动第一永磁铁和第二永磁铁上下运动，根据法拉第电磁感应，闭合的第一感应线圈和第二感应线圈也会产生感应电动势，当第一永磁铁和第二永磁铁向上运动时，第一感应线圈和第二感应线圈在滑轮的带动下向下运动，当第一永磁铁和第二永磁铁向下运动时，第一感应线圈和第二感应线圈在滑轮的带动下向上运动，即永磁铁和感应线圈发生相向运动，这样与单一永磁铁和单一感应线圈装置比较，电磁发电能力显著提高。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，包含基座，所述基座呈正多边形，且基座的每条边均设有一个悬臂梁；

所述悬臂梁呈等腰梯形，其底边与基座的边固定相连，且与基座处于同一平面；

所述悬臂梁的上设有压电片。

2. 根据权利要求1所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁的上表面和下表面上均设有压电片。

3. 根据权利要求2所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述压电片的形状与悬臂梁的形状相同，通过导电胶黏贴在悬臂梁的表面上。

4. 根据权利要求2所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用串联结构。

5. 根据权利要求2所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁上表面的压电片和下表面的压电片采用并联结构。

6. 根据权利要求1所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述基座为正六边形。

7. 根据权利要求1至6中任一所述的基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置，其特征在于，所述悬臂梁远离基座一端的上表面和下表面分别设有第一永磁铁、第二永磁铁；

所述第一永磁体上设有第一感应线圈，所述第二永磁铁下设有第二感应线圈；

所述第一感应线圈、第二感应线圈之间通过连接杆固定连接；

所述第一感应线圈上设有定滑轮，定滑轮上设有连接线，连接线一端和第一感应线圈相连，另一端和第一永磁体相连。