CN107681924A - 一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，包括上基板、下基座、压电弹簧片、永磁铁A、永磁铁B、感应线圈；所述的压电弹簧片弯曲为半圆形，用于连接上基板和下基座；所述压电弹簧片中部的内外两侧都贴有压电片，并将压电片在中间划开，分成上下两部分；所述感应线圈以桶状环绕，固定在下基座中心位置；所述永磁铁A固定在线圈内，永磁铁A的直径略小于与线圈内径；所述永磁铁B与永磁铁A直径一致，厚度为永磁铁A一倍，固定于上基板，与永磁铁A正对，永磁铁A与永磁铁B相互吸引。本发明结构简单，易于制作，可适用于环境中低频、小幅振动的环境，环境适应性增强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，可有效收集周围环境的随机振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域
背景技术
目前，大多数的低功率器件(如无线传感器和发射器，医疗植入传感器，便携式电子设备)都依赖电化学电池供电。但是，电化学电池具有寿命短、成本高及处理废旧电池带来的环境污染等问题，所以研究人员正积极寻找一种新的能源以代替电化学电池为低功率器件供电。另外，微电子技术的不断发展大大降低了低功率器件的能耗，因而，从周围环境中收集能量以驱动低功率器件变得更加可行。从周围环境中可收集的能量主要包括太阳能、热能和机械能，其中，机械能，尤其是振动能在周围环境中分布广泛。在机械能向电能转换的多种途径中，压电换能装置由于具有结构简单、输出电压高、机电耦合系数大等优点而备受关注。
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，提供一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，使压电发电装置能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动，能量回收效率高。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，包括上基板(1)、下基座(2)、压电弹簧片(3)、永磁铁A(4-1)、永磁铁B(4-2)、感应线圈(5)；所述的压电弹簧片(3)弯曲为半圆形，分别固定在所述下基座(2)的四个角上，用于连接上基板(1)和下基座(2)，并对环境振动能进行一级放大；所述压电弹簧片(3)中部的内外两侧都贴有压电片(6)，并将压电片(6)在中间划开，分成上下两部分；所述感应线圈(5)以桶状环绕，固定在下基座(2)中心位置；所述永磁铁A(4-1)固定在下基座(2)上、线圈内(5)，直径略小于与线圈(5)内径；所述永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)直径相同，永磁铁B(4-2)高度为永磁铁A(4-1)的一倍，永磁铁B(4-2)固定在上基板(1)上，永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)正对，永磁铁A(4-1)与永磁铁B(4-2)相互吸引。
进一步，上述压电弹簧片(3)成半圆形，且所用材料为弹性不锈钢钢带SUS301。
所述压电片(6)为弧形压电片，贴在压电弹簧片(3)中部，并将压电片(6)在中间划开，分成上下两部分，保证压电弹簧片(3)弯曲时不会压断压电片。压电片(6)的材料为PZT-5H。所述电极由铂金镀层或银镀层构成。
所述四个压电弹簧片(3)的内层压电层和外层压电层之间都采用并联连接。内层两个压电片(6)与外层的两个压电片(6)均采用串联连接。将方形排列的四个压电弹簧片(3)按照两个为一组的方式分为两组，每组包括两个压电弹簧片(3)串联连接，两组压电弹簧片(3)之间则并联连接。
所述永磁铁A(4-1)与永磁铁B(4-2)相互吸引，一方面从内部给压电弹簧片(3)施加一定的力，增加压电弹簧片(3)的形变；另一方面，保证永磁铁B(4-2)做相对运动，切割磁感线，从而使线圈产生感应电流。
相较于现有技术，本发明的有益效果体现在：
1)采用压电弹簧片(3)结构一方面可以将压电弹簧片(3)作为弹簧，对基础低幅值激励进行一级放大后，激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动，从而提高能量采集器的输出性能；另一方面，相较于直接使用弹簧，压电弹簧片(3)的设计结构可以粘贴压电片，从而获取曲梁振动时的能量。另外，压电弹簧片(3)的结构相较于一般的直悬臂梁，应变更大，从而可以获取更大的电能。
2)永磁铁A(4-1)与永磁铁B(4-2)的相互吸引一方面从内部给压电弹簧片(3)施加一定的力，增加压电弹簧片(3)的应变；另一方面，永磁铁B(4-2)做相对运动，切割磁感线，从而使感应线圈(5)产生感应电流。
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是本发明的结构安装示意图；
图2是本发明的剖面图；
图3是本发明的弹性曲梁结构示意图；
图4是本发明的两磁铁相对放置右上俯视图及右下仰视图；
图中：1上基板、2下基座、3压电弹簧片、4-1永磁铁A、4-2永磁铁B、5感应线圈。
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。
如图1和图2所示，本发明一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，包括上基板(1)、下基座(2)、压电弹簧片(3)、永磁铁A(4-1)、永磁铁B(4-2)、感应线圈(5)；所述的压电弹簧片(3)弯曲为半圆形，分别固定在所述下基座(2)的四个角上，用于连接上基板(1)和下基座(2)，并对环境振动能进行一级放大；所述压电弹簧片(3)中部的内外两侧都贴有压电片(6)，并将压电片在中间划开，分成上下两部分；所述感应线圈(5)以桶状环绕，固定在下基座(2)中心位置；所述永磁铁A(4-1)固定在下基座(2)上、线圈内(5)，直径略小于与线圈(5)内径；所述永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)直径相同，永磁铁B(4-2)高度为永磁铁A(4-1)的一倍，永磁铁B(4-2)固定在上基板(1)上，永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)正对，永磁铁A(4-1)与永磁铁B(4-2)相互吸引。
当外界环境振动时，振动能对俘能器施加一定强度的力，压电弹簧片(3)发生弯曲形变，从而使压电弹簧片(3)振动，位于压电弹簧片(3)内外表面的压电片(6)发生应变产生电荷。另外，压电弹簧片(3)的振动带动上基板(1)和下基座(2)的振动，带动永磁铁B(4-2)的相对运动，从而使感应线圈(5)中产生感应电动势。
图3所示为压电弹簧片(3)的结构。当外界对压电弹簧片(3)施加压力时，压电弹簧片(3)向外弯曲变形，内侧与外侧中间部分应变最大，并以内侧与外侧的中间为中心向两侧逐渐减小，为保证压电片(6)不会因为形变过大而断裂且能收集的电能最多，将压电片(6)贴在压电弹簧片(3)中部，并将压电片(6)在中间划开，分成上下两部分。
本发明中，四个对称固定的压电弹簧片(3)因结构参数一致而具有相同的谐振频带，可以保证获取的谐振频率在统一频段上，保证在一定频段内输出效率的提高。同时，当外加激励不施加在俘能器中心位置或均匀施加于四个角时，压电弹簧片(3)因受力不等而产生不同的形变，从而保证在这个情况下产生不同的谐振频率，拓宽了俘能器的工作频带。
图4所示为相互吸引的永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)。由于磁铁的磁化强度与体积有关，将永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)形状制成圆形，保证永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)在磁场强度不变的情况下减少了永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)所占空间，从而有利于微型化。永磁铁A(4-1)对永磁铁B(4-2)产生吸引力，从而使永磁铁B(4-2)产生相对运动，切割感应线圈(5)磁感线，使感应线圈(5)产生感应电动势。同时，永磁铁A(4-1)对永磁铁B(4-2)的吸引带动了上基板(1)的运动，从内部对压电弹簧片(3)施加压力，增加压电弹簧片(3)形变。
ε＝BabLv
其中，μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率，Ma、Mb分别为永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的磁化强度，Va、Vb分别为永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的体积，ma、mb为永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的磁矩，rab为永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)相距的距离，Bab为永磁铁A(4-1)在永磁体B(4-2)处产生的磁场强度，Fm为永磁铁B(4-2)所收到的磁力，ε为感应电动势，L为切割磁感线的有效长度，v为切割速度。从式中可以看出，永磁铁A(4-1)在永磁体B(4-2)处产生的磁场强度、永磁铁B(4-2)所受到的磁力、产生的感应电动势都与永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的体积有关，设计增加永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的体积可以适当增加永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)的磁化强度，从而增加永磁铁A(4-1)和永磁体B(4-2)之间的吸引力，增加对压电弹簧片(3)的内部施加力，并产生较高的感应电动势。
Claims (5)
1.一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，包括上基板(1)、下基座(2)、压电弹簧片(3)、永磁铁A(4-1)、永磁铁B(4-2)、感应线圈(5)；所述的压电弹簧片(3)弯曲为半圆形，分别固定在所述下基座(2)的四个角上，用于连接上基板(1)和下基座(2)，并对环境振动能进行一级放大；所述压电弹簧片(3)中部的内外两侧都贴有压电片(6)，并将压电片在中间划开，分成上下两部分；所述感应线圈(5)以桶状环绕，固定在下基座(2)中心位置；所述永磁铁A(4-1)固定在下基座(2)上、线圈内(5)，直径略小于与线圈(5)内径；所述永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)直径相同，永磁铁B(4-2)的高度为永磁铁A(4-1)的一倍，永磁铁B(4-2)固定在上基板(1)上，永磁铁B(4-2)与永磁铁A(4-1)正对，永磁铁A(4-1)与永磁铁B(4-2)相互吸引。
2.根据权利要求1所述一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，其特征在于所述压电弹簧片(3)为弯曲成半圆形的弹簧片，且所用材料为弹性材料。
3.根据权利要求1所述一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，其特征在于压电弹簧片(3)中部的内外两侧都贴有压电片(6)，压电弹簧片(3)将压电片(6)在中间划开，分成上下两部分，保证压电弹簧片(3)弯曲时不会压断压电片(6)；内层两个压电弹簧片(3)与外层的两个压电片(6)均采用串联连接。
4.根据权利要求1所述一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，其特征在于下基座(2)放置永磁铁A(4-1)，永磁铁A(4-1)与上基板(1)的永磁铁B(4-2)相互吸引。
5.根据权利要求1所述一种基于压电曲梁的压电电磁复合俘能器，其特征在于将方形排列的四个压电弹簧片(3)按照两个为一组的方式分为两组，每组压电弹簧片(3)包括两个串联连接的压电弹簧片(3)，两组压电弹簧片(3)之间则并联连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180209 |