CN107769616A - 一种双稳态压电能量回收结构 - Google Patents

一种双稳态压电能量回收结构 Download PDF

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马天兵
吴晓东
杜非
高飞彪
陈南
邹莉君
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186Vibration harvesters

Abstract

本发明公开了一种双稳态压电能量回收结构。该结构包括:双稳态圆弧形悬臂梁、弹性压电元件、磁铁、弹簧、固定端、壳体;通过在上方的螺母受到外界的振动作用,将会使得双稳态圆弧形悬臂梁运动,并在磁铁排斥力的作用下,双稳态圆弧形悬臂梁会随外界振动的作用下,在两种稳态之间来回跳变,使得压电材料随着双稳态圆弧形悬臂梁的跳变而产生应变,并能够在双稳态圆弧形悬臂梁上产生均匀的应变,从而将机械能转变成电能;并双稳态压电能量收集结构具有弹性元件的变形量大,工作频带宽,能量收集效率高等优点,可用于为其它微电子设备供电。

Description

一种双稳态压电能量回收结构
技术领域:
[0001]本发明属于能量回收领域,主要涉及对振动能量进行收集,特别是一种双稳态压 电能量回收结构。
背景技术:
[0002]振动能量回收是将周围环境中的机械振动能量转化为可被利用的电能。广泛的应 用于MEMS等微功耗系统,随着无线传感网络技术的发展,其在环境监测、建筑、军事、汽车等 领域都得到了广泛的运用。压电能量回收装置因具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于 加工制作、实现结构的微型化、集成化等特点。在能量回收领域具有很好的应用前景,并且 压电能量回收装置能够产生较高电压及不需要额外的电源供电。在一些特殊的场合,传感 节点的供电电源无法定期更换,需要用一种更方便、安全的微型储能器件代替传统的电池。 因此,压电能量收集技术已成为研究热点。
[0003]振动能是自然界中普遍存在的能量形式,并且具有较高的能量密度,通常振动能 量收集装置是通过机电转换材料将外部的振动能转化成电能,压电能量收集具有功率密度 大,结构简单,易于集成化和微型化,能够实现对微电子器件的供电的要求,符合微电子器 件供电的发展趋势,在振动能量回收领域得到了广泛的应用。
发明内容:
[0004]本发明的目的是提供一种结构简单,性能稳定。一种双稳态压电能量回收结构,实 现对周围环境中的振动能量进行收集。一种双稳态压电能量回收结构克服了压电悬臂梁应 变不均匀、变形量随振动变化而变化、工作频带窄等缺点。提供了一种双稳态压电能量回收 结构,具有工作频带宽,变形量大并等强度变形,能量收集效率高等优点,可以将周围环境 中的振动能转变为电能。
[0005]为达到本发明的目的,本发明采用的技术方案如下:
[0006]实现本发明的目的技术解决方案为,一种双稳态压电能量回收结构,该装置结构 包括:双稳态圆弧形悬臂梁、弹性压电元件、磁铁、弹簧、固定端、壳体;其特征在于:所述磁 铁包括有两类,一类是小磁铁共两块,一类是大磁铁共四块,两块小磁铁安装在双稳态圆弧 形悬臂梁末端,四块大磁铁安装在壳体内和小磁铁对应的上下面位置;所述的双稳态圆弧 形压电悬臂梁上下表面均匀对称地粘贴弹性压电元件;所述的磁铁的磁性都是同性的;所 述的在双稳态悬臂梁下端的弹簧通过螺栓与壳体固定,上端的弹簧通过螺栓连接,其中上 端的螺栓不固定,能够感知外界的振动。所述的双稳态圆弧形悬臂梁是采用铝或铝合金等 的轻金属;所述压电材料需要具有高压电常数和高的机电耦合常数及介电常数,通常可以 采用压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜等压电材料;所述的磁铁沿着轴向磁化,都采用钕铁硼 永磁铁;所述的弹簧都采用轻质弹簧;所述的双稳态圆弧形悬臂梁具有在外部载荷作用下 能够产生均匀的应变。其原理是通过在上方的螺母受到外界的振动作用,将会使得双稳态 圆弧形悬臂梁运动,并在磁铁排斥力的作用下,双稳态圆弧形悬臂梁会随外界振动的作用 下,在两种稳态之间来回跳变,使得压电材料随着双稳态圆弧形悬臂梁的跳变而产生应变, 并能够在双稳态圆弧形悬臂梁上产生均匀的应变,从而产生电能。此种双稳态压电能量收 集结构具有弹性元件的变形量大,工作频带宽,提高结构的能量收集效率。
[0007]在自然状态下,双稳态圆弧形悬臂梁在弹簧和磁铁的作用下处于平衡状态,各压 电振子均处于自然状态,即不受外力作用、不产生形变。当上端的螺栓受外界振动作用时, 双稳态圆弧形悬臂梁位置即发生变化,从而使压电振子产生弯曲变形,并将机械能转换成 电能。
[0008]本发明与现有技术比较,具有以下显著优点:(1)本发明实用性强,通过对环境中 的振动能量进行收集而代替化学电池为其他微电子设备、无线传感节点等微功耗器件供 电,其属于可再生能源。(2)本发明是一种双稳态结构,利用外界振动,和磁铁间相互排斥力 的作用下,在两种稳态结构跳变,对能量进行收集,能量收集效率高。(3)本发明采用一种双 稳态压电能量回收结构,能够在双稳态圆弧形悬臂梁上产生均匀的应变,从而产生电能,此 种双稳态压电能量收集结构具有弹性元件的变形量大,工作频带宽等特点。
附图说明:
[0009]图1是本发明一种双稳态压电能量回收结构;
[0010]图2是本发明双稳态结构在两种稳态之间跳变;
[0011]图3是本发明在双稳态圆弧形悬臂梁表面上粘贴压电元件;
[0012]图4是本发明装置在两种稳态进行跳变时结构的受力图;
[0013]在所有的附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或是结构,其中:1为大磁 铁;2为小磁铁;3为双稳态圆弧形悬臂梁;4为壳体;5为螺栓;6为弹簧;7为弹性压电元件。
具体实施方式:
[0014]下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。此处描述的具体实 施方式仅仅是对本发明进行解释,不对本发明进行限定。
[0015]
具体实施方式:
[0016] —种双稳态压电能量回收结构,包括:大磁铁1、小磁铁2、双稳态圆弧形悬臂梁3、 壳体4、螺母5、弹簧6、弹性压电元件7;壳体4选择为长方体结构,在其上下表面和双稳态圆 弧形悬臂梁梁末端位置装有磁性相同的磁铁,上端中间对称的位置有相同大小圆孔,下端 用来固定双稳态圆弧形悬臂梁,上端用来接收外界的振动,长方体选用铝或铜质材料;双稳 态圆弧形悬臂梁3可以选用轻金属铝或铝合金材料,它是预先设计好的具有理想的曲率和 双稳态效果的悬臂梁;弹簧6连接双稳态圆弧形悬臂梁,所选用的弹簧是轻质弹簧;双稳态 圆弧形悬臂梁末端的小磁铁2和壳体面的大磁铁1采用的是相同极性的磁铁,磁铁都沿着轴 向磁化,都采用钕铁硼永磁铁;弹性压电元件7将其均匀对称粘贴在双稳态圆弧形悬臂梁表 面,增大输出电压,压电元件选择压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜等压电材料。
[0017]图2是本发明双稳态结构的两种稳态,在外界振动和磁铁力的作用下,在上下两种 稳态之间跳变的示意图;图3是本发明在双稳态圆弧形悬臂梁表面上粘贴若干压电元件;图 4是本发明装置在进行跳变时双稳态结构的受力图,在受到外界力F1和磁铁之间相互排斥 的力F2作用下,并在外界力的作用下,如图2所示,将会在两种稳态之间跳变。
[0018]、本发明一种双稳态压电能量回收结构,是在外界振动的作用下,在壳体内弹簧运 动和磁铁力難双稳細彡悬冑梁細觀細跳变,双驗目弧臟面产生应 变,压电兀件将表面产生的机械振动能转化为电能,双稳态结构具有结构简 变形量大,工作频带宽,能量收集效率高。 半,评I兀1千日0
[0019]本发明是一种双稳态压电能量回收结构,可用于对外界振动能量进行收集,用来 代替化学电池对建筑、桥梁、无线传感节点等微功耗系统供电,是一种属于可再生能源领域 的压电能量收集装置。 -
[0020]以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案及有益效果进行了进一井 详细说明,但所理解的是,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^ 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 (6)

1.一种双稳态压电能量回收结构,该结构包括:双稳态圆弧形悬臂梁、弹性压电元件、 磁铁、弹簧、固定端、壳体;其特征在于:所述磁铁包括有两类,一类是小磁铁共两块,一类是 大磁铁共四块,两块小磁铁安装在双稳态圆弧形悬臂梁末端,四块大磁铁安装在壳体内和 小磁铁对应的上下面位置;所述的双稳态圆弧形压电悬臂梁上下表面均匀对称地粘贴弹性 压电元件;所述的磁铁的磁性都是同性的;所述的在双稳态悬臂梁下端的弹簧通过螺栓与 壳体固定,上端的弹簧通过螺栓连接,其中上端的螺栓不固定。
2. 根据权利要求1所述的一种双稳态压电能量回收结构,其特征在于:所述的双稳态圆 弧形压电悬臂梁采用铝或铝合金等轻金属材料,在双稳态悬臂梁上下表面粘贴压电元件, 构成压电元件、金属层、压电元件的三明治结构;具有一定曲率和等应变的特点,在受到外 部载荷作用下在两种稳态之间跳变。
3. 根据权利要求1所述的一种双稳态压电能量回收结构,其特征在于:所述的磁铁都沿 轴向磁化,采用钕铁硼永磁铁。
4. 根据权利要求1所述的一种双稳态压电能量回收结构,其特征在于:所述弹簧采用的 是轻质弹簧。
5. 根据权利要求1所述的一种双稳态压电能量回收结构,其特征在于:所述的壳体在上 下面中心对称位置打有圆孔,上端圆孔用螺栓连接弹簧外界振动,下端圆孔连接弹簧用螺 栓固定再用来固定弹簧安装双稳态圆弧形悬臂梁结构,外壳可选用铝或铜等金属材料。
6. 根据权利要求1所述的一种双稳态压电能量回收结构,其特征在于:所述的弹性压电 元件可以采用压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜等压电材料。
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