CN202111635U - 微型复合式振动发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种属于微型电源技术、节能技术领域的微型复合式振动发电机。该发电机是压电与电磁复合的悬臂梁振动发电机，主要包括如下部分：绝缘壳体、压电悬臂梁、永磁体，电感线圈，其中，压电悬臂梁由压电片和支撑基板组成，压电片粘贴在支撑基板上，支撑基板的一端固定于绝缘壳体，永磁体粘贴于压电悬梁臂的自由端，电感线圈位于永磁体正上方。该发电机在谐振状态下，同步输出压电电流和电磁电流，在有限的体积内提高了输出功率，并且采用分散质量块结构，在提高能量收集密度的同时扩大了工作频率范围。

Description

微型复合式振动发电机

技术领域

本实用新型属于微型电源技术、节能技术领域，特别涉及一种微型复合式振动发电机。

背景技术

无线化、便携化的微型电子产品，因其具有极低能耗、可大量散布在环境条件苛刻、人类难以接近的地方或能够植入被测物体内部等优点，推动了医学植入、嵌入式传感器、无线传感网络等高新技术的迅猛发展。但是，微电子产品苛刻的工作条件使得传统的电池和有线电源等供电方式难以满足其对电源的特殊要求。如各种医学植入和结构嵌入型微传感器要求系统脱离电源线的束缚；传统电池存在寿命短、存储能量有限、相对传感器而言体积和重量大等缺点，不仅定期更换电池会大幅增加使用成本，而且对于成千上万随机散布在自然环境中的无线传感器节点而言，定期更换电池几乎不可能实现。为了满足微电子产品苛刻工作条件对电源的特殊要求，近年来，学术界和产业界广泛关注从器件周围环境中收集能量并转换成电能的能量收集技术。一些研究者应用微机电加工技术(MEMS)制造的微型太阳能电池、热电池和振动发电机可以无限、持续的为各种低功耗电子器件提供能量，然而，太阳能电池只能应用于有光的环境中，热电池必须存在于有温度梯度的环境中，因此，太阳能电池和热电池的广泛应用受到环境条件的限制。由于环境中的振动无处不在，振动发电机收集转换的能量不仅不受环境条件的限制，而且环境中废弃能量的收集还能降低机器的维修费用和延长使用寿命。中国专利200310111187.4提出一种电容式振动发电机。该发电机易于与其他MEMS器件集成，但是，在开始工作时电容器需要在外电场作用下被极化，一定程度上仍然受到工作环境的限制，阻碍了其进一步的发展和应用。中国专利200910080541.9和201010245136.6发明了电磁式振动发电机，克服了电容式发电机开始工作时需要外部电压推动的缺点，然而，由于其结构复杂，且线圈与磁铁分离，因此难以微型化。中国专利200520051980.4采用螺旋状双压电陶瓷片作为发电元件，其特点为体积小，能微型化，稳定性好，同时有效降低结构的固有频率，然而，由于螺旋状双压压电陶瓷面积较小，因此收集电荷量少，发电功率低。中国专利200810023882.8采用d31型压电悬臂梁作为能量收集元件，具有结构简单、体积小、成本低、输出电压高，易于微型化，可应用于各种恶劣环境的特点，相对于螺旋状压电片，矩形压电片收集面积大，因此提高了收集电荷量及发电功率。然而，当环境频率与发电机固有频率不匹配时，压电悬臂梁收集效率急剧下降，且其承载能力小，致使转换能量密度低。

发明内容

为了有效地提高压电悬臂梁的转换能量密度，使其在振动较小的环境中，仍能产生较大的输出功率，本实用新型提出一种能量收集效率高的压电与电磁复合的悬臂梁振动发电机。

微型复合式振动发电机，该发电机主要包括如下部分：绝缘壳体、压电悬臂梁、永磁体、电感线圈，其中，压电悬臂梁由压电片和支撑基板组成，压电片粘贴在支撑基板上，支撑基板的一端固定在绝缘壳体上，永磁体粘贴于压电悬臂梁的自由端，电感线圈位于永磁体正上方。

压电悬臂梁的上下两面分别和压电发电输出导线相连，电感线圈固定在绝缘壳体上，并和电磁发电输出导线相连。

支撑基板上下表面的其中一面粘贴有压电片，或上下表面都粘贴有压电片。压电片的极化方向与厚度方向相同，通过导电胶粘贴在支撑基板上。支撑基板的材料可以为金属导电材料，如不锈钢、磷青铜等。

压电悬臂梁上可以粘贴分散质量块。分散质量块的数量一般为一个以上，分别粘贴在压电悬臂梁的上表面或下表面。

压电悬臂梁作为能量收集元件和拾振元件，在外界激励下振动时，压电片发出形变，依据正压电效应，压电发电输出导线输出交流电。同时由于永磁体运动，电感线圈中磁通量发生改变，电磁发电输出导线产生感应电流。压电发电输出导线与电磁发电输出导线分别和后续的调节电路及存储元件相连接。

压电悬臂梁在各阶谐振频率振动下，都可以通过电磁感应，使电磁发电输出导线产生感应电流，所以与相同尺寸的悬臂梁压电发电机相比，复合式振动发电机提高了输出能量密度。

复合式振动发电机的发电能力的优化原理：

在外力F或位移δ作用下，压电悬臂梁的振动服从欧拉-伯努利梁的运动微分方程，产生的电能服从压电方程。其边界条件为：机械自由和电学短路。根据压电学理论，当压电悬臂梁自由端受外力或位移作用而产生弯曲变形时，其表面将有自由电荷生成。压电片受到的应力与其产生的电场服从压电方程：

$\left\{\begin{array}{c}\left\{D\right\}=\left[d\right]\left\{T\right\}+\left[{\mathrm{\ϵ}}^T\right]\left\{E\right\}\\ \left\{S\right\}=\left[s^E\right]\left\{T\right\}+{\left[d\right]}^t\left\{E\right\}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，{D}是电位移，{E}是电场强度，[d]是压电常数矩阵，{S}和{T}分别是应变和应力，[ε^T]为应力恒定时的自由介电常数矩阵，[S^E]为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵。

根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生的感应电动势可以表示为：

$E=-N\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}=-N\frac{\∂(\stackrel{\‾}{B}\·\stackrel{\‾}{S})}{\∂t}---\left(2\right)$

式中，E代表感应电动势，N表示组成闭合回路的线圈匝数，Φ是穿过每匝线圈的磁通量，

是磁感应强度，

是线圈的面积矢量。当压电悬臂梁带动永磁体上、下振动时，电感线圈中磁通量发生改变，电感线圈产生感应电动势。

由于压电电磁微型复合式振动发电机同时输出压电、电磁两路交流电，因此发电能力高，能量转换密度高于同体积悬臂梁压电发电机。

复合式振动发电机的工作频率的优化原理：

压电悬臂梁的固有频率与所受轴向载荷的关系为：

$f^{\′}=f\sqrt{1+\frac{F}{F_b}}---\left(3\right)$

式中，f为压电悬臂梁固有频率，f′为受轴向载荷压电悬臂梁的固有频率，F为轴向载荷力，拉应力为正，压缩力为负，F_b为压电悬臂梁固定端钳夹载荷，

E是杨氏模量，I是转动惯量，L是压电悬臂梁长度。在压电悬臂梁末端添加质量块，相当于为其施加轴向压缩力，从公式(3)中可以看出，降低了压电悬臂梁的固有频率。然而，若质量块过重，使压电悬臂梁固定端受力过大，很容易引起疲劳损伤。因此，本实用新型采用分散质量块结构，降低各阶固有频率，同时改善了压电悬臂梁支撑处的应力状况。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型创新地提出了压电与电磁复合的振动发电机，这种结构型式的微型复合振动发电机，在谐振状态下，同步输出压电电流和电磁电流，电感线圈与压电片最大输出电能分别位于不同的共振频率点，在有限的体积内提高了输出功率，同时，采用分散质量块可以均匀分散应变，改善压电悬臂梁支撑处的应力状况，以消除疲劳应力，显著地延长压电悬臂梁的使用寿命，同时还可以降低压电悬臂梁各阶固有频率，缩小各低阶固有频率接近程度，扩大了振动发电机工作频率范围，达到提高振动发电机发电能力的根本目的。

附图说明

图1是实施例1中微型复合式振动发电机的结构图；

图2是实施例1中微型复合式振动发电机的压电悬臂梁的俯视图；

图3是实施例2中微型复合式振动发电机的结构图；

图4是实施例3中微型复合式振动发电机的结构图；

图5是实施例4中微型复合式振动发电机的结构图；

图6是实施例5中微型复合式振动发电机的结构图；

图7是不同结构的压电悬臂梁对其固有频率的影响，

其中：(a)压电悬臂梁，(b)附加末端质量块梁，(c)附加厚度为4mm的分散质量块梁，(d)附加厚度为8mm的分散质量块梁，(e)附加厚度为12mm的分散质量块梁，(f)压电悬臂梁、附加末端质量块梁、分散质量块梁各阶固有频率比较，(g)不同厚度分散质量块的压电悬臂梁各阶固有频率比较；

图中标号：1为绝缘壳体，2-1为压电片，2-2为支撑基板，2-3、2-4为压电发电输出导线，3-1为永磁体，3-2为电感线圈，3-3、3-4为电磁发电输出导线，4-1、4-2为分散质量块。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

实施例1

如图1、2所示，微型复合式振动发电机包括如下部分：绝缘壳体1，压电片2-1，支撑基板2-2，压电发电输出导线2-3、2-4，永磁体3-1，电感线圈3-2，电磁发电输出导线3-3、3-4，分散质量块4-1、4-2，其中，压电悬臂梁由压电片2-1和支撑基板2-2组成，支撑基板2-2的材料为磷青铜，支撑基板2-2的一端固定于绝缘壳体1，压电片2-1采用PZT-5H材料，极化方向与厚度方向相同，通过导电胶粘贴在支撑基板2-2上层，永磁体3-1粘贴于压电片2-1末端上层，永磁体3-1正上方的电磁线圈3-2固定于绝缘壳体1。

压电悬臂梁的上下两面分别和压电发电输出导线2-3、2-4相连，电感线圈3-2和电磁发电输出导线3-3、3-4相连。压电发电输出导线2-3、2-4与电磁发电输出导线3-3、3-4分别和后续的调节电路和存储元件相连接。压电悬臂梁上粘贴有分散质量块4-1、4-2，质量块粘贴在压电悬臂梁下表面。

压电悬臂梁作为能量收集元件和拾振元件，在外界激励下振动时，压电片发出形变，依据正压电效应，压电发电输出导线输出交流电。同时由于永磁体运动，电感线圈中磁通量发生改变，电磁发电输出导线产生感应电流。

实施例2

如图3所示，压电悬臂梁由两片压电片和支撑基板组成，压电片分别粘贴在支撑基板的上下表面。其它条件与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，有两块质量块，分别粘贴在压电悬臂梁的上下两个表面。其它条件与实施例2相同。

实施例4

如图5所示，压电悬臂梁的上下两个表面分别粘贴了n个质量块。其它条件与实施例2相同。

实施例5

如图6所示，压电悬臂梁末端的下表面也粘贴有永磁体，且有相应的电感线圈和电磁发电输出导线，电感线圈位于这个永磁体的正下方。其它条件与实施例3相同。

实施例6

本实施例研究了不同结构的压电悬臂梁对其固有频率的影响(如图7所示)。通过有限元仿真，计算图7(a～e)五种不同结构的压电悬臂梁各阶固有频率，其中压电片、基板、质量块宽度均为7mm。

从图7(f)可出看出，压电悬臂梁一阶频率439Hz，而二至六阶固有频率过高，随着质量块数量的增加，压电悬臂梁的固有频率明显降低。从图7(g)可以看出，随着分散质量块厚度增加，压电悬臂梁各阶固有频率降低，其中图7(e)结构前三阶固有频率均在500Hz以下，接近实际工作环境激励频率，从而扩大了工作频率范围。

当外界振源与微型发电机谐振时，发电机输出最大电能。例如，在图7(e)结构尺寸下，外界振源频率分别约为71Hz、233Hz、346Hz时，压电悬臂梁发生共振，压电片产生相对最大变形，压电梁末端永磁体振动速度达到相对的最大值，复合式振动发电机产生相对的最大电荷量。

在压电梁末端疲劳应力充许范围内，通过调节分散质量块的位置、形状、尺寸等结构与材料参数，以获取微型复合式振动发电机最佳工作频率范围。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.微型复合式振动发电机，其特征在于：该发电机包括如下部分：绝缘壳体(1)、压电悬臂梁、永磁体(3-1)、电感线圈(3-2)，其中，压电悬臂梁由压电片和支撑基板(2-2)组成，压电片粘贴在支撑基板(2-2)上，支撑基板(2-2)的一端固定在绝缘壳体(1)上，永磁体(3-1)粘贴于压电悬梁臂的自由端，电感线圈(3-2)位于永磁体(3-1)正上方。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：压电悬臂梁的上下两面分别和压电发电输出导线(2-3、2-4)相连，电感线圈(3-2)固定在绝缘壳体(1)上，并和电磁发电输出导线(3-3、3-4)相连。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：压电片的极化方向与厚度方向相同。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：压电片通过导电胶粘贴在支撑基板(2-2)上。

5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：支撑基板(2-2)上下表面的其中一面粘贴有压电片，或上下表面都粘贴有压电片。

6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：支撑基板(2-2)的材料为金属导电材料。

7.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：压电悬臂梁上粘贴有分散质量块，分散质量块的数量为一个以上。

8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于：分散质量块分别粘贴在压电悬臂梁的上表面或下表面。

9.根据权利要求7或8所述的发电机，其特征在于：分散质量块的数量为两块，大小相同，并粘贴在压电悬臂梁下表面。

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