CN106712577B - 一种多方向压电振动发电机 - Google Patents
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Abstract
一种多方向压电振动发电机，其中，外层框架、中层框架和内层框架相互嵌套，中心质量块位于框架的几何中心位置，并通过压电梁一、压电梁二、限位弹簧一与内层框架相连，内层框架通过压电梁三、压电梁四、限位弹簧二与中层框架相连，中层框架通过压电梁五、压电梁六、限位弹簧三与外层框架相连，永磁体一和永磁体二固定在中心质量块上，永磁体三固定在内层框架上，永磁体四固定在中层框架上，永磁体五和永磁体六固定在外层框架上。此压电振动发电机可以敏感外界环境中任意方向的振动，在各个永磁体之间的作用力下，实现压电振动发电机的多体耦合振动，进而实现其机电能量转换。
Description
技术领域
本发明涉及新型能源和电子技术技术领域，特别是涉及一种多方向压电振动发电机。
背景技术
近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，为此，各国科技工作者不断进行着新型能源的寻找和探索，比如太阳能、风能、波浪能等。振动作为日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的研究者的关注。目前，用于实现振动发电的装置主要有压电式、电磁式和静电式三种。压电式振动发电机以其结构简单、不发热、无电磁干扰及易于微型化等诸多优点而成为目前的研究热点。对于压电式振动发电机，理论上其供电寿命仅取决于组成振动发电机的各元器件的寿命，清洁环保，是一种典型的“绿色”能源技术。
基于此，目前出现了各种各样的压电式振动发电机，如悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等。纵观压电式振动发电技术的研究现状，上述振动发电机主要是单方向、单谐振频率的，其使用场合对振动环境的选择性很强，在存在各种方向且振动频率在一定范围内变化的情况下，上述压电振动发电机的发电能力将非常有限，限制了其大众化的推广使用。考虑到外界环境中丰富的振动能资源及振动源振动过程的随机性，如何实现压电振动发电机的多方向性发电将是压电发电技术领域一个非常值得研究的方向。
因此有人申请如图3所示的CN104485842，名称为一种压电式振动发电机，该振动发电是依靠激励磁环与永磁体之间的直接排斥力实现的，而其多方向振动仅是依靠弹性杆能够弯曲实现的，因此发电有限，因此需要设计一种多方向压电振动发电机。来收集各种方向能力，从而提高整体发电效果。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种多方向压电振动发电机，本发明装置可以敏感外界环境中任意方向的振动，在各个永磁体之间的作用力下，实现压电振动发电机的多体耦合振动，进而实现其机电能量转换，解决了现有压电振动发电机在某些方向外界环境激励下收集不到振动能量的缺陷，为达此目的，本发明提供一种多方向压电振动发电机，包括用于支撑和安装的外层框架、中层框架、内层框架、中心质量块、压电梁一、压电梁二、压电梁三、压电梁四、压电梁五、压电梁六、永磁体一、永磁体二（12）、永磁体三、永磁体四、永磁体五、永磁体六、限位弹簧一、限位弹簧二和限位弹簧三，所述外层框架、中层框架和内层框架相互嵌套，所述中心质量块位于框架的几何中心位置，并通过压电梁五、压电梁六、限位弹簧三与内层框架相连，所述内层框架通过压电梁三、压电梁四、限位弹簧二与中层框架相连，所述中层框架通过压电梁一、压电梁二、限位弹簧一与外层框架相连，所述永磁体一和永磁体二固定在中心质量块上，所述永磁体三固定在内层框架上，所述永磁体四固定在中层框架上，所述永磁体五和永磁体六固定在外层框架上。
本发明的进一步改进，所述压电梁一、压电梁二、压电梁三、压电梁四、压电梁五、压电梁六通过电学串联或者电学并联后与后续充电控制电路连接，本发明可根据需要连接相应的控制电路。
本发明的进一步改进，所述永磁体一、永磁体二、永磁体三、永磁体四、永磁体五、永磁体六为圆柱形或者长方体形。
本发明的进一步改进，所述外层框架、中层框架、内层框架可根据实际需求设计成圆筒状或者立方体状。
本发明的进一步改进，所述压电梁一、压电梁二、压电梁三、压电梁四、压电梁五、压电梁六采用压电单晶材料PMNT单晶制作。
本发明采用上述方案后，本发明通过设置外层框架、中层框架、内层框架、中心质量块、压电梁、压电梁、压电梁、压电梁、压电梁、压电梁、永磁体、限位弹簧，可以敏感环境中任意振动方向振动源的振动，在各个永磁体的耦合作用下，实现机械振动能到电能的转换，解决了现有压电振动发电机在某些方向外界环境激励下收集不到振动能量的问题。
附图说明
图1是本发明结构的主视图；
图2是本发明结构的俯视图；
图3是本发明现有技术示意图。
具体部件如下：
1、外层框架；2、中层框架；3、内层框架；4、中心质量块；5、压电梁一；6、压电梁二；7、压电梁三；8、压电梁四；9、压电梁五；10、压电梁六；11、永磁体一；12、永磁体二；13、永磁体三；14、永磁体四；15、永磁体五；16、永磁体六；17、限位弹簧一； 18、限位弹簧二；19、限位弹簧三。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种多方向压电振动发电机，本发明装置可以敏感外界环境中任意方向的振动，在各个永磁体之间的作用力下，实现压电振动发电机的多体耦合振动，进而实现其机电能量转换，解决了现有压电振动发电机在某些方向外界环境激励下收集不到振动能量的缺陷。
结合图1和图2所示，本发明提供一种多方向压电振动发电机，包括外层框架1、中层框架2、内层框架3、中心质量块4、压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10、永磁体一11、永磁体二12、永磁体三13、永磁体四14、永磁体五15、永磁体六16、限位弹簧一17、限位弹簧二18、限位弹簧三19，下面分别介绍。
外层框架1、中层框架2和内层框架3相互嵌套，中心质量块4位于框架的几何中心位置，并通过压电梁五9、压电梁六10、限位弹簧三19与内层框架3相连，所述内层框架3通过压电梁三7、压电梁四8、限位弹簧二18与中层框架2相连，所述中层框架2通过压电梁一5、压电梁二6、限位弹簧一17与外层框架1相连，永磁体一11和永磁体二12固定在中心质量块4上，永磁体三13固定在内层框架3上，永磁体四14固定在中层框架2上，永磁体五15和永磁体六16固定在外层框架1上。所述压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10可通过电学串联或者电学并联后与后续充电控制电路连接。所述永磁体一11、永磁体二12、永磁体三13、永磁体四14、永磁体五15、永磁体六16为圆柱形或者长方体形。所述外层框架1、中层框架2、内层框架3可根据实际需求设计成圆筒状或者立方体状。所述压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10采用压电单晶材料PMNT单晶制作。
本实施例在工作时，在任意方向的环境振动作用下，多方向压电振动发电机将产生受迫振动。其中，在受到左右方向环境振动激励时，内层框架3连同中心质量块4作左右方向受迫振动，振动过程中，永磁体三13和永磁体六16之间的磁作用力由于它们距离的变化而变化，故引起中层框架2和外层框架1之间产生相对运动，与此同时，内层框架3连同中心质量块4的左右方向受迫振动又导致永磁体二12和永磁体四14之间的磁作用力发生变化，进而中心质量块4与内层框架3产生相对运动，显然，在此过程中压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10分别会产生相应的弯曲变形，实现机械振动能到电能的转换。
同理，在前后方向环境振动激励时，中层框架2与外层框架1产生相对振动，此时，永磁体一11和永磁体五15之间的磁作用力由于它们距离的变化而发生变化，使得内层框架3和中层框架2之间出现相对运动，此相对运动又引起永磁体二12和永磁体四14之间的磁作用力发生变化，导致中心质量块4与内层框架3产生相对运动，从而实现压电振动发电机的压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10同时产生相应的弯曲变形。而在竖直方向环境振动激励时，首先中心质量块4产生受迫振动，此时永磁体一11和永磁体五15之间的磁作用力发生变化，引起内层框架3和中层框架2的相对运动，此相对运动又使得永磁体三13和永磁体六16之间的磁作用力发生变化，引起中层框架2和外层框架1的相对振动，最终也会实现压电梁一5、压电梁二6、压电梁三7、压电梁四8、压电梁五9、压电梁六10同时产生相应的弯曲变形。
从上述压电振动发电机在左右方向、前后方向和竖直方向环境激励时的工作原理可以看出，这种压电振动发电过程由永磁体一11、永磁体二12、永磁体三13、永磁体四14、永磁体五15、永磁体六16之间的磁作用力耦合实现，基于电磁耦合振动，压电振动发电机对任意方向的环境振动都是敏感的，最终都会导致压电振动发电机实现机电能量转换。
综上所述，本发明提出的一种多方向压电振动发电机，可以敏感环境中任意振动方向振动源的振动，在永磁体一11、永磁体二12、永磁体三13、永磁体四14、永磁体五15、永磁体六16的耦合作用下，实现机械振动能到电能的转换，装置结构简单，成本低，实用性强。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种多方向压电振动发电机，包括用于支撑和安装的外层框架（1）、中层框架（2）、内层框架（3）、中心质量块（4）、压电梁一（5）、压电梁二（6）、压电梁三（7）、压电梁四（8）、压电梁五（9）、压电梁六（10）、永磁体一（11）、永磁体二（12）、永磁体三（13）、永磁体四（14）、永磁体五（15）、永磁体六（16）、限位弹簧一（17）、限位弹簧二（18）和限位弹簧三（19），其特征在于：所述外层框架（1）、中层框架（2）和内层框架（3）相互嵌套，所述中心质量块（4）位于框架的几何中心位置，并通过压电梁五（9）、压电梁六（10）、限位弹簧三（19）与内层框架（3）相连，所述内层框架（3）通过压电梁三（7）、压电梁四（8）、限位弹簧二（18）与中层框架（2）相连，所述中层框架（2）通过压电梁一（5）、压电梁二（6）、限位弹簧一（17）与外层框架（1）相连，所述永磁体一（11）和永磁体二（12）固定在中心质量块（4）上，所述永磁体三（13）固定在内层框架（3）上，所述永磁体四（14）固定在中层框架（2）上，所述永磁体五（15）和永磁体六（16）固定在外层框架（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种多方向压电振动发电机，其特征在于：所述压电梁一（5）、压电梁二（6）、压电梁三（7）、压电梁四（8）、压电梁五（9）、压电梁六（10）通过电学串联或者电学并联后与后续充电控制电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种多方向压电振动发电机，其特征在于：所述永磁体一（11）、永磁体二（12）、永磁体三（13）、永磁体四（14）、永磁体五（15）、永磁体六（16）为圆柱形或者长方体形。
4.根据权利要求1所述的一种多方向压电振动发电机，其特征在于：所述外层框架（1）、中层框架（2）、内层框架（3）可根据实际需求设计成圆筒状或者立方体状。
5.根据权利要求1所述的一种多方向压电振动发电机，其特征在于：所述压电梁一（5）、压电梁二（6）、压电梁三（7）、压电梁四（8）、压电梁五（9）、压电梁六（10）采用压电单晶材料PMNT单晶制作。
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