CN110719049A - 一种压电振动发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电振动发电机，要解决的是现有压电振动发电机的输出电压小的问题。本产品包括振动组件和发电组件，所述振动组件包括旋转叶片，旋转叶片通过滚动轴承与旋转轴的一端相连，旋转轴的另一端安装有摇杆，滚动轴承固定在横梁上并且横梁通过支撑架固定在底座上，发电组件包括悬臂梁和压电片，所述悬臂梁固定安装在支撑架上，悬臂梁的上表面和下表面均安装有压电片。本发明结构简单，制作成本低，通过旋转轴带动发电组件振动，结合压电效应，实现了振动能转化为电能，采用d33耦合模式的曲状电极结构提高了输出电压，解决了现有传统电池存在的寿命周期短、不方便更换、成本高以及不适用微电子器件的问题。
Description
技术领域
本发明涉及发电领域，具体是一种压电振动发电机。
背景技术
近年来，随着微电子技术的发展，在一定程度上，传统的化学电池能满足日常需求，但依然存在比如体积大、寿命短、频繁更换导致成本高以及带来的环境污染等问题，尤其对于当今发展迅速的无线传感器网络来说，用电池供能的短板突出的更加明显。这些都严重限制了微电子器件的使用功能。
被动振动发电机作为一种压电效应的能量转换器件，可以将环境中的振动能转换成电能，可以用作自供电系统的构建，旋转装置中不同转速可以更好的匹配环境振源的频率，从而达到与悬臂梁相同的频率，实现共振，发电性能达到最优。目前大多压电发电机均采用叉指电极，如专利号为CN208155928U和CN205826581U的文件，现有的叉指电极多d31的耦合模式，虽在压电材料的表面，可以获得较大的电荷收集面积，但是输出电压很小。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种压电振动发电机，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种压电振动发电机，包括振动组件和发电组件，所述振动组件包括旋转叶片，旋转叶片通过滚动轴承与旋转轴的一端相连，旋转轴的另一端安装有摇杆，滚动轴承固定在横梁上并且横梁通过支撑架固定在底座上，发电组件包括悬臂梁和压电片，所述悬臂梁固定安装在支撑架上，悬臂梁的上表面和下表面均安装有压电片，压电片的表面设置有曲状电极结构，移动摇杆从而带动旋转轴工作，旋转轴带动旋转叶片转动，旋转叶片拨动悬臂梁；悬臂梁振动使得压电片内部产生极化反应，压电片的两个表面产生电势差，采用d33耦合模式的曲状电极结构提高了输出电压，整个过程将振动能转化为电能，典型地，一般电极的布置是顶部和底部分布的上下电极结构，通常由压电常数d31控制，由于d33压电常数大约是d31常见材料的两倍，为体现较强的换能特性，在新型曲状电极结构中，由压电常数d33控制。同时，d33工作模式在能源采集器、开关、加速度计和可调谐透镜等方面得到了广泛的应用。
作为本发明实施例进一步的方案：悬臂梁采用等应变楔形悬臂梁，保证在振动过程中，压电片等强度形变，进一步提高输出电压。
作为本发明实施例进一步的方案：悬臂梁的一端采用紧固件、第一垫块和第二垫块固定在支撑架上，连接牢固性好，不易脱落。
作为本发明实施例进一步的方案：压电片采用压电陶瓷材料制作，悬臂梁采用磷青铜材料制作，市场易购得，便于安装和更换。
作为本发明实施例进一步的方案：曲状电极结构包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极采用微间距以及互不接触的方式形成曲状电极结构，曲状电极结构有利于提高压电发电机的能量转换效率。
作为本发明实施例进一步的方案：曲状电极结构采用半嵌入的方式安装在压电片表面，连接牢固性好，便于更换。
作为本发明实施例进一步的方案：悬臂梁的厚度为0.2-1mm，压电片的厚度为0.3mm，在保证体积最小的情况下适用于不同的输出电压。
作为本发明实施例进一步的方案：压电片的形状为梯形，可以保证与悬臂梁同等变形。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
本发明设计合理，结构简单，制作成本低，通过旋转轴带动发电组件振动，结合压电效应，实现了振动能转化为电能，采用d33耦合模式的曲状电极结构提高了输出电压，解决了现有传统电池存在的寿命周期短、不方便更换、成本高以及不适用微电子器件的问题。
附图说明
图1为压电振动发电机的立体图。
图2为压电振动发电机的后视图。
图3为压电振动发电机中压电片的结构示意图。
其中：1-横梁，2-摇杆，3-旋转轴，4-旋转叶片，5-悬臂梁，6-压电片，7-紧固件，8-第一垫块，9-第二垫块，10-支撑架，11-底座，12-滚动轴承，13-第一电极，14-第二电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种压电振动发电机，包括振动组件和发电组件，所述振动组件包括旋转叶片4，旋转叶片4通过滚动轴承12与旋转轴3的一端相连，旋转轴3的另一端安装有摇杆2，滚动轴承12固定在横梁1上并且横梁1通过支撑架10固定在底座11上，发电组件包括悬臂梁5和压电片6，所述悬臂梁5固定安装在支撑架10上，悬臂梁5的上表面和下表面均安装有压电片6，压电片6的表面设置有曲状电极结构，移动摇杆2从而带动旋转轴3工作，旋转轴3带动旋转叶片4转动，旋转叶片4拨动悬臂梁5；悬臂梁5振动使得压电片6内部产生极化反应，压电片6的两个表面产生电势差，采用d33耦合模式的曲状电极结构提高了输出电压，整个过程将振动能转化为电能。
为了进一步提高输出电压，悬臂梁5采用等应变楔形悬臂梁，保证在振动过程中，压电片6等强度形变。
进一步的，悬臂梁5的一端采用紧固件7、第一垫块8和第二垫块9固定在支撑架上，连接牢固性好，不易脱落，紧固件7采用螺栓，市场易购得，使用简单。
进一步的，悬臂梁5的厚度为0.2-1mm，压电片6的厚度为0.3mm，在保证体积最小的情况下适用于不同的输出电压。
进一步的，压电片6的形状为梯形，可以保证与悬臂梁5同等变形。
实施例2
一种压电振动发电机，包括振动组件和发电组件，所述振动组件包括旋转叶片4，旋转叶片4通过滚动轴承12与旋转轴3的一端相连，旋转轴3的另一端安装有摇杆2，滚动轴承12固定在横梁1上并且横梁1通过支撑架10固定在底座11上，发电组件包括悬臂梁5和压电片6，所述悬臂梁5固定安装在支撑架10上，悬臂梁5的上表面和下表面均安装有压电片6，压电片6的表面设置有曲状电极结构，移动摇杆2从而带动旋转轴3工作，旋转轴3带动旋转叶片4转动，旋转叶片4拨动悬臂梁5；悬臂梁5振动使得压电片6内部产生极化反应，压电片6的两个表面产生电势差，采用d33耦合模式的曲状电极结构既能保证应变良好的传递性能，又能提高输出电压，整个过程将振动能转化为电能。
为了保证使用效果，压电片6采用压电陶瓷材料制作，优选锆钛酸铅(PZT系列51)，悬臂梁5采用磷青铜材料制作，市场易购得，便于安装和更换。
进一步的，曲状电极结构包括第一电极13和第二电极14，第一电极13和第二电极14采用微间距以及互不接触的方式形成曲状电极结构，曲状电极结构有利于提高压电发电机的能量转换效率，曲状电极结构是一种新型电极结构，它由两个同样形状的弯曲电极组成，目的是提高转导灵敏度。由于这种新型的曲状电极结构与叉指电极相比具有更大的几何电容系数，因此在信号转导领域具有广阔的应用前景。
进一步的，曲状电极结构采用半嵌入的方式安装在压电片6表面，连接牢固性好，便于更换。
本发明实施例的工作原理是：
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种压电振动发电机，包括振动组件和发电组件，所述振动组件包括旋转叶片(4)，旋转叶片(4)通过滚动轴承(12)与旋转轴(3)的一端相连，旋转轴(3)的另一端安装有摇杆(2)，滚动轴承(12)固定在横梁(1)上并且横梁(1)通过支撑架(10)固定在底座(11)上，发电组件包括悬臂梁(5)和压电片(6)，所述悬臂梁(5)固定安装在支撑架(10)上，其特征在于，悬臂梁(5)的上表面和下表面均安装有压电片(6)，压电片(6)的表面设置有曲状电极结构。
2.根据权利要求1所述的压电振动发电机，其特征在于，所述悬臂梁(5)采用等应变楔形悬臂梁。
3.根据权利要求1所述的压电振动发电机，其特征在于，所述悬臂梁(5)的一端采用紧固件(7)、第一垫块(8)和第二垫块(9)固定在支撑架(10)上。
4.根据权利要求1所述的压电振动发电机，其特征在于，所述压电片(6)采用压电陶瓷材料制作。
5.根据权利要求1所述的压电振动发电机，其特征在于，所述曲状电极结构采用半嵌入的方式安装在压电片(6)表面。
6.根据权利要求2所述的压电振动发电机，其特征在于，所述压电片(6)的形状为梯形。
7.根据权利要求1或3所述的压电振动发电机，其特征在于，所述悬臂梁(5)的厚度为0.2-1mm，压电片(6)的厚度为0.3mm。
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