CN205249087U - 一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，包括底座、基板、压电发电机构及电磁发电机构，所述底座上方的左右两侧分别设置有左立柱和右立柱，基板位于左立柱和右立柱之间。基板左右两端的中部，对称设置有两个竖向的直齿条，基板的左右两端还分别设置有两个位于直齿条两侧的滑块，各滑块分别在左立柱或右立柱靠近基板一侧的滑槽内上下滑动。所述基板的中部开有方形口，基板的上方和下方分别设置有电磁发电机构和压电发电机构。该发电装置，克服传统发电装置只在单一谐振频率下输出较高电能的缺点,引入调频机构，可拓宽发电装置固有频率频带响应范围，在振动源频率变化的环境中同样具有高效能量转换效率，达到宽频发电的效果。

Description

一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置

技术领域

本实用新型涉及微机电技术领域，具体涉及一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的，是一项革命性前沿新技术，广泛应用在高新技术产业。它是一个独立的智能系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，涉及半导体、物理学、化学、材料工程、机械工程、医学等领域，为智能系统、可穿戴设备、生物医学、高端电子产品的快速发展起到了巨大的推动作用。微机电系统具有以下几个基本特点：智能化、微型化、高度集成化、高效能、低功耗、可批量生产等特点，随着微加工技术的发展，生产制造的MEMS产品功能越来越强大，集成性越来越高。

当前，大多数微机电系统仍采用微型化学电池供能，化学电池污染环境、寿命有限需定期更换，特别是对于植入式的MEMS产品更换电池将十分困难，因此急需一种微电源来为MEMS产品供能。振动式能量收集装置可将环境振动能转换为电能，并且具有寿命高、环境适应性强、节能环保等优点，替代传统化学电池为微机电系统供能成为国内外学者的研究热点。目前大多数振动能量收集装置，只在单一谐振频率下输出较高能量，自身固有频率一旦偏离谐振频率，发电效率将会急剧下降。发电装置本身有一个固有频率，是固定的，当环境振动频率跟发电装置固有频率相等时达到谐振状态，此时发电效率是最高的。但是实际上，环境振动频率是随机变化的，一旦环境振动频率跟发电装置固有频率相差较大的话，发电装置的能量转换效率就会很低，因此有必要拓宽发电装置固有频率的频带响应范围，提高其发电效率。

实用新型内容

针对上述能量收集技术存在的局限性，本实用新型目的在于提供了一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，该发电装置可将环境振动能转换为电能，并在压电电磁复合发电基础上，在振动源频率变化的环境中同样输出较高电能，实现宽频发电。

为实现上述目的,本实用新型所采用如下技术方案：

一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，包括底座、基板、压电发电机构及电磁发电机构，所述底座上方的左右两侧分别设置有左立柱和右立柱，基板位于左立柱和右立柱之间。基板左右两端的中部，对称设置有两个竖向的直齿条，基板的左右两端还分别设置有两个位于直齿条两侧的滑块，各滑块分别在左立柱或右立柱靠近基板一侧的滑槽内上下滑动。所述基板的中部开有方形口，基板的上方和下方分别设置有电磁发电机构和压电发电机构。

优选地，所述电磁发电机构包括第一硅片和平面感应线圈，第一硅片设置在基板的上表面，平面感应线圈固定安装在第一硅片的底部，且位于基板的方形口内。

优选地，所述压电发电机构包括第二硅片、上电极片、压电片及下电极片，第一硅片设置在基板的下表面，上电极片、压电片及下电极片由上往下依次固定安装在第二硅片的底部。第二硅片底部的中心固定安装有振动永磁铁，振动永磁铁下方的底座上设置有调频永磁铁，振动永磁铁和调频永磁铁正向相对，且具有间隙。

优选地，所述第二硅片包括方形边框及4根L形梁，各L形梁的一端连接方形边框的一个边，另一端固定连接在一起。

优选地，所述上电极片由4个L形的上电极片单体组成，各上电极片单体呈环形布置，每个上电极片单体对应第二硅片的一个L形梁。下电极片由4个L形的下电极片单体组成，各下电极片单体与各上电极片单体一一对应，形成一组电极片单体。压电片也由4个L形的压电片单体组成，每个压电片单体对应一组电极片单体。

优选地，所述平面感应线圈由导线环形缠绕而成，平面感应线圈与第一硅片的底部固定连接。

优选地，每个直齿条的外侧均配置有一套齿轮机构，每套齿轮机构包括大齿轮、从动小齿轮及锥齿轮，每套齿轮机构的从动小齿轮有3个，依次由上到下布置在左立柱或右立柱的安装槽内，3个从动小齿轮均驱动直齿条上下运动，大齿轮驱动最上端的小齿轮转动，所述锥齿轮驱动大齿轮转动。

优选地，每套齿轮机构的锥齿轮均安装在传动轴上，传动轴通过轴承设置在左立柱和右立柱外侧的机壳上，传动轴的一端伸出机壳的外侧，机壳的下端与底座固定连接。

优选地，所述第二硅片包括方形边框及4根L形梁，各L形梁的一端连接方形边框的一个边，另一端固定连接在一起。

优选地，所述底座两侧的上表面镀有Au膜，形成可与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置有引线键合焊盘。

通过采用上述技术方案，本实用新型的有益技术效果是：该发电装置利用齿轮之间及齿轮与齿条的传动、压电发电、电磁发电的原理，在输出较高电压和较大电流的基础上，克服传统发电装置只在单一谐振频率下输出较高电能的缺点,引入调频机构，可拓宽发电装置固有频率的频带响应范围，在振动源频率变化的环境中同样具有高效能量转换效率，达到宽频发电的效果。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构原理示意图。

图2为本实用新型的主视结构原理示意图。

图3为本实用新型去掉机壳后的内部结构原理示意图。

图4为本实用新型的俯视图。

图5为图3去掉边左、右立柱后的结构原理示意图。

图6为本实用新型中的基板从顶部看下去的结构示意图。

图7为本实用新型中的基板从底部看上去的结构示意图。

图8为本实用新型中的压电发电机构和电磁发电机构的结构示意图。

图9为本实用新型中的第二硅片的结构示意图。

图10为本实用新型中的第一硅片和微型平面感应线圈的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

结合图1至图10，一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，包括底座1、基板3、压电发电机构及电磁发电机构，所述底座1上方的左右两侧分别设置有左立柱4和右立柱5，左立柱4和右立柱5的前后侧壁上均设置有护板，护板的底部与底座1固定连接，基板3位于左立柱4和右立柱5之间。所述基板3的左右两端的中部，对称设置有两个竖向的直齿条6，基板3的左右两端还分别设置有两个位于直齿条6两侧的滑块7，各滑块7分别在左立柱4或右立柱5靠近基板3一侧的滑槽内上下滑动。

每个直齿条6的外侧均配置有一套齿轮机构，每套齿轮机构包括大齿轮8、从动小齿轮9及锥齿轮10，每套齿轮机构的从动小齿轮9有3个，依次由上到下布置在左立柱4或右立柱5的安装槽11内，3个从动小齿轮9均驱动直齿条6上下运动，所述大齿轮8驱动最上端的小齿轮9转动，各从动小齿轮9依次驱动其下方相邻的从动小齿轮9转动，所述锥齿轮10驱动大齿轮8转动。每套齿轮机构的锥齿轮10均安装在传动轴12上，传动轴12通过轴承设置在左立柱4和右立柱5外侧的机壳2上，所述传动轴12的一端伸出机壳2的外侧，机壳2的下端与底座1固定连接。

所述基板3的中部开有方形口，基板3的上方和下方分别设置有电磁发电机构和压电发电机构。所述电磁发电机构包括第一硅片13和平面感应线圈14，第一硅片13设置在基板3的上表面，平面感应线圈14固定安装在第一硅片13的底部，且位于基板3的方形口内。所述平面感应线圈14由导线环形缠绕而成，平面感应线圈14与第一硅片13的底部固定连接，所述平面感应线圈14上设置有正极引线点和负极引线点。所述压电发电机构包括第二硅片15、上电极片16、压电片17及下电极片18，所述第二硅片15包括方形边框及4根L形梁，各L形梁的一端连接方形边框的一个边，另一端固定连接在一起。第二硅片15设置在基板3的下表面，上电极片16、压电片17及下电极片18依次由上往下固定安装在第二硅片15的底部。

所述上电极片16由4个L形的上电极片单体组成，各上电极片单体呈环形布置，每个上电极片单体对应第二硅片15的一个L形梁。下电极片18由4个L形的下电极片单体组成，各下电极片单体与各上电极片单体一一对应，形成一组电极片单体。压电片17也由4个L形的压电片单体组成，每个压电片单体对应一组电极片单体。各下电极片单体的外侧均设置有上电极引线点和下电极引线点，所述基板3的下表面上设置有下电极片18的电极接线点，基板的上表面上设置有平面感应线圈14的接线点。第二硅片15底部的中心固定安装有振动永磁铁19，振动永磁铁19下方的底座1上设置有调频永磁铁20，振动永磁铁19和调频永磁铁20正向相对，且具有间隙。所述上电极片16、压电片17及下电极片18固定连接在一起，压电片17和各电极片均由4片L形板组成，且呈环形布置在振动永磁铁19的外侧。所述底座1两侧的上表面镀有Au膜，形成可与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置有引线键合焊盘，可与基板3上对应的接线点相键合以实现能量的输出。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，包括底座、基板、压电发电机构及电磁发电机构，其特征在于，所述底座上方的左右两侧分别设置有左立柱和右立柱，基板位于左立柱和右立柱之间；基板左右两端的中部，对称设置有两个竖向的直齿条，基板的左右两端还分别设置有两个位于直齿条两侧的滑块，各滑块分别在左立柱或右立柱靠近基板一侧的滑槽内上下滑动；所述基板的中部开有方形口，基板的上方和下方分别设置有电磁发电机构和压电发电机构。

2.根据权利要求1所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述电磁发电机构包括第一硅片和平面感应线圈，第一硅片设置在基板的上表面，平面感应线圈固定安装在第一硅片的底部，且位于基板的方形口内。

3.根据权利要求1所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述压电发电机构包括第二硅片、上电极片、压电片及下电极片，第一硅片设置在基板的下表面，上电极片、压电片及下电极片由上往下依次固定安装在第二硅片的底部；第二硅片底部的中心固定安装有振动永磁铁，振动永磁铁下方的底座上设置有调频永磁铁，振动永磁铁和调频永磁铁正向相对，且具有间隙。

4.根据权利要求3所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述第二硅片包括方形边框及4根L形梁，各L形梁的一端连接方形边框的一个边，另一端固定连接在一起。

5.根据权利要求3所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述上电极片由4个L形的上电极片单体组成，各上电极片单体呈环形布置在振动永磁铁的外侧，每个上电极片单体对应第二硅片的一个L形梁；下电极片由4个L形的下电极片单体组成，各下电极片单体与各上电极片单体一一对应，形成一组电极片单体；压电片也由4个L形的压电片单体组成，每个压电片单体对应一组电极片单体。

6.根据权利要求2所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述平面感应线圈由导线环形缠绕而成，平面感应线圈与第一硅片的底部固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，每个直齿条的外侧均配置有一套齿轮机构，每套齿轮机构包括大齿轮、从动小齿轮及锥齿轮，每套齿轮机构的从动小齿轮有3个，依次由上到下布置在左立柱或右立柱的安装槽内，3个从动小齿轮均驱动直齿条上下运动，大齿轮驱动最上端的小齿轮转动，所述锥齿轮驱动大齿轮转动。

8.根据权利要求7所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，每套齿轮机构的锥齿轮均安装在传动轴上，传动轴通过轴承设置在左立柱和右立柱外侧的机壳上，传动轴的一端伸出机壳的外侧，机壳的下端与底座固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种自适应宽频振动压电电磁集成发电装置，其特征在于，所述底座两侧的上表面镀有Au膜，形成可与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置有引线键合焊盘。