CN106856381A - 一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置 - Google Patents
一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，包括中心支柱、底板、磁铁、弯曲双叉悬臂梁阵列、质量块、压电发电片，中心支柱的两端部分别安装有与其垂直的底板，顶部底板的下端面上和底部底板的上端面上分别磁铁，中心支柱周围分布排列着一圈弯曲双叉悬臂梁阵列，弯曲双叉悬臂梁阵列由多根弯曲双叉的悬臂梁组成，悬臂梁的根部均垂直固定在中心支柱上，另一端分为双叉结构，且双叉弯曲伸展到上下方对应的磁铁附近，悬臂梁的双叉末端端部固连着质量块，悬臂梁表面均粘贴有压电发电片。本发明结构紧凑，工作频域宽，发电效率与普通单一悬臂梁结构或单稳态悬臂梁结构的压电能量收集装置相比有明显提高。
Description
技术领域：
本发明涉及能量回收领域，属于振动压电能量转换技术，主要涉及一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置。
背景技术：
随着大规模集成电路技术、超精密加工技术及网络通信技术的发展，各种微机电系统及微小型电子设备的应用日趋广泛。目前，微小系统的能量供应，依然采取着传统的供能方式，即利用化学电池作为主要的能量供给源。虽然化学能电池以其使用方便而被广泛采用，但其使用过程中的较多缺点也引起了人们的日益关注，一是在微机电系统中，化学能电池及其附属装置占据了相当大的一部分空间和重量，不利于设备的微型化：二是化学能电池制作、使用过程中的材料浪费、环境污染及回收困难等问题日益突出：三是化学能电池的使用寿命较短，在一些特殊应用领域，传统化学电池的更换几乎无法实现。因此，寻找清洁可再生的能源取代传统供电方式是解决当今能量问题的关键。
针对现代微器件的供能需求，各种新型微电源的研制方向无不朝着以下几个方面努力：体积小、重量轻、采集能量密度高、使用寿命长，无害环保、易于实现微型化。在自然界中，广泛存在着太阳能，振动能，风能和热能等清洁可再生能源。振动作为自然界最常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度，振动能量采集装置可通过机电转换材料将外部的振动能转换成电能，具有很好的应用前景。
随着压电材料和压电器件的深入研究和发展，各种各样的压电材料在电子技术、通讯、生物医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测等众多领域得到了广泛的应用。压电式振动能量收集技术由于具有较高的功率密度和更加简单的结构，易于集成与微型化，符合电子元器件的发展趋势，因而在能量收集领域得到了广泛的应用。悬臂梁式的压电能量收集装置最为常见，主要有单稳态悬臂梁、双稳态悬臂梁等。单稳态悬臂梁结构的压电能量收集装置的通频带极窄，采集的能量密度低，发电采集效率低。相对而言，双稳态悬臂梁结构增加了系统带宽，增大了振子的振动幅度，降低了谐振频率，能量收集效率有明显的提高。如中国专利（公开号CN205017232U）公开了一种压电悬臂梁能量采集器，该装置中只有一个矩形悬臂梁单独工作，采集的能量密度较低，且只能采集单方向的振动；如中国专利（公开号 CN103354434A）公开了一种双稳态压电悬臂梁振动能量采集器，该装置使用了双稳态悬臂梁，增加了带宽，但一个悬臂梁单独工作，发电效率依然较低；如中国专利（公开号CN102790548A）公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，该装置采用八个双稳态悬臂梁组成了环形阵列，发电效率相比单一压电悬臂梁结构有所提升，但是由于八个悬臂梁的安装方向均在同一平面内，因此仍然只能采集单一方向的振动，无法采集各个方向的振动，发电效率仍然有限。因此设计一种双稳态且能够采集多方向振动的压电能量收集装置具有较大的意义和价值。
发明内容：
本发明目的就是改善普通悬臂梁压电能量收集装置的工作频带窄、仅能采集单一方向振动等缺陷，提供一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，该集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置具有结构紧凑，能采集多方向振动、采集能量密度大、工作频带宽等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：包括中心支柱、底板、磁铁、弯曲双叉悬臂梁阵列、质量块、压电发电片，所述中心支柱的两端部分别安装有与其垂直的底板，顶部底板的下端面上和底部底板的上端面上分别固定有所述磁铁，所述中心支柱周围分布排列着一圈弯曲双叉悬臂梁阵列，所述弯曲双叉悬臂梁阵列由多根弯曲双叉的悬臂梁组成，所述悬臂梁的根部均垂直固定在中心支柱上，另一端分为双叉结构，且双叉弯曲伸展到上下方对应的磁铁附近，所述悬臂梁的双叉末端端部固连着质量块，所述悬臂梁表面均粘贴有压电发电片，所述悬臂梁振动使所述压电发电片产生电能，所述压电发电片通过引线将电能输出。
所述的底板为圆形。
所述的中心支柱以及所述底板的制造材料采用铜或铝。
所述的磁铁为环形磁铁，所述环形磁铁材料采用钕铁硼永磁铁。
所述的压电发电片可采用聚偏氟乙烯或锆钛酸铅压电陶瓷。
所述的弯曲双叉悬臂梁阵列的悬臂梁采用弹簧钢等弹性金属材料制造。
所述的质量块采用铁、钴、镍能被磁铁吸引的金属或合金制成。
本发明装置与普通悬臂梁压电能量收集装置相比不存在空间利用率低，工作频带窄以及只能采集单一方向振动等诸多缺点。自然环境中的振动往往在一个较宽而且较低的频率范围内，因此普通悬臂梁的线性压电振子在实际环境中往往很难应用，本发明装置中的双稳态弯曲双叉悬臂梁可在结构参数固定不变情况下高效地采集多方向、宽频带的振动，从而更加有效地收集环境中的振动能。
在其工作过程中利用分布在中心支柱周围的一圈弯曲双叉悬臂梁阵列，可以采集到中心支柱轴向和径向各个方向的振动能量。利用上下环形磁铁对悬臂梁末端质量块的吸引力与悬臂梁振动时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，产生双稳态的振动，可加大振动幅度，增大带宽，提高能量收集效率。
本发明的优点是：
1.本发明实用性强，可在不消耗任何化石能源和化学能源的条件下通过收集环境中的振动能量来为低功耗的微电子元器件供能，是一种环境友好型能量收集装置。
2.本发明使用了一组弯曲双叉悬臂梁阵列，整体外观轮廓类似于一盏灯笼，与普通单一悬臂梁式的压电能量收集装置相比，空间利用率更高，结构紧凑，采集能量密度大。
3.本发明装置中，悬臂梁的根部垂直于中心支柱，末端的双叉弯曲伸展到上下两个环形磁铁附近，其形状保证了该装置既可以采集到中心支柱轴向的振动，也可以采集到径向各个方向的振动能量。
4.本发明是一种双稳态结构，利用上下环形磁铁对悬臂梁末端质量块的吸引力与悬臂梁振动时的回复力在特定的位置处大小相等，方向相反，产生双稳态的振动，可加大悬臂梁振子的振动幅度，增大带宽，提高能量收集效率。
附图说明：
图 1 为本发明集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置的剖视图。
图 2为本发明集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置的整体空间结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为中心支柱；2为底板；3为环形磁铁；4为弯曲双叉悬臂梁；5为质量块；6为压电发电片。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式：图1是按照本发明集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置的剖视图。如图1中所示，中心支柱1的上下两端垂直连接着两个底板2，顶部底板下面和底部底板上面分别固定着环形磁铁3。中心支柱1的中间固定着与它垂直的弯曲双叉悬臂梁4，悬臂梁另一端的双叉弯曲伸展到上下两个环形磁铁3附近，悬臂梁的双叉末端固连着质量块5，悬臂梁表面粘贴有压电发电片6。中心支柱1和底板2的制造材料可采用铜或铝，环形磁铁3可采用钕铁硼永磁铁，弯曲双叉悬臂梁4可采用弹簧钢等弹性金属材料制造，质量块5可采用铁、钴、镍等能被磁铁吸引的金属或合金，压电发电片6可采用聚偏氟乙烯（PVDF）或锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）。当弯曲双叉悬臂梁4感受到中心支柱1的轴向振动激励时，弯曲双叉悬臂梁4就会在轴向上下振动；当弯曲双叉悬臂梁4感受到中心支柱1的径向振动激励时，弯曲双叉悬臂梁4就会在径向左右振动。在弯曲双叉悬臂梁4上下振动的过程中，由于悬臂梁双叉末端的质量块5会受到上下两个环形磁铁3吸引力的作用，因而存在某两个特定位置，使得悬臂梁振动的回复力与环形磁铁3对质量块5的吸引力相平衡，从而形成双稳态的振动，悬臂梁振子的振动幅度会明显增大，悬臂梁的变形量也会较大，这时压电发电片6会感受到应力和应变的作用并产生电荷，电能通过导线引出并被收集起来。图 2为本发明集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置的整体空间结构示意图，由于中心支柱1周围分布排列着一圈弯曲双叉悬臂梁4，因此该装置能采集到中心支柱的轴向和径向各个方向的振动能，在很大程度上提高了能量收集效率。
本发明集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置可用于机械结构、建筑结构等的振动能量收集，可在不消耗任何化石能源或化学能源的条件下为低功耗的微电子元器件采能和供能，是一种环境友好型能量收集装置。
本发明装置使用了一组双稳态弯曲双叉悬臂梁阵列，与普通的悬臂梁压电能量收集装置相比，本发明装置的空间利用率更高，结构紧凑，采集能量密度大，可采集多方向宽频带的振动，从而更有效地收集环境中的振动能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：包括中心支柱、底板、磁铁、弯曲双叉悬臂梁阵列、质量块、压电发电片，所述中心支柱的两端部分别安装有与其垂直的底板，顶部底板的下端面上和底部底板的上端面上分别固定有所述磁铁，所述中心支柱周围分布排列着一圈弯曲双叉悬臂梁阵列，所述弯曲双叉悬臂梁阵列由多根弯曲双叉的悬臂梁组成，所述悬臂梁的根部均垂直固定在中心支柱上，另一端分为双叉结构，且双叉弯曲伸展到上下方对应的磁铁附近，所述悬臂梁的双叉末端端部固连着质量块，所述悬臂梁表面均粘贴有压电发电片，所述悬臂梁振动使所述压电发电片产生电能，所述压电发电片通过引线将电能输出。
2.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的底板为圆形。
3.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的中心支柱以及所述底板的制造材料采用铜或铝。
4.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的磁铁为环形磁铁，所述环形磁铁材料采用钕铁硼永磁铁。
5.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的压电发电片可采用聚偏氟乙烯或锆钛酸铅压电陶瓷。
6.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的弯曲双叉悬臂梁阵列的悬臂梁采用弹簧钢等弹性金属材料制造。
7.根据权利要求1所述的集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，其特征在于：所述的质量块采用铁、钴、镍能被磁铁吸引的金属或合金制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |