CN209151027U - 一种新型压电振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型压电振动能量采集器，包括外壳、固定磁体、移动磁体、压电双晶悬臂梁和弹簧，所述固定磁体设置在外壳内部的第一壁板的中间位置上，所述压电双晶悬臂梁一端固定在外壳内部第二壁板的中间位置上，所述弹簧一端和移动磁体连接在一起，另一端固定在外壳内部第二壁板上，所述移动磁体和弹簧共同套在压电双晶悬臂梁上，所述压电双晶悬臂梁包括两片压电陶瓷和金属基板，两片压电陶瓷固定在金属基板上下表面上，在外界激励作用下，压电双晶悬臂梁上下往复运动，带动压电陶瓷产生弯曲形变，之后通过输出电路将上、下压电陶瓷中产生的电动势输出。本实用新型结构简单，加工制作成本低，工作频带宽，能量转化效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及能源技术领域，具体涉及一种新型压电振动能量采集器，可以拓展工作频率带宽, 提高能量转化效率。
背景技术
随着能源问题越来越严峻，寻求能够采集周围的环境能量转化为电能的系统成为了人们研究的一大热点。环境中的机械振动无处不在，它不受地理位置和气候的影响，而且在许多难以进入的地方都有振动源存在，故振动能量的采集更为方便，具有良好的发展前景。振动能量采集器是一种将振动产生的机械能转化为电能的器件，其中基于压电效应的振动环境能量采集方式因具有结构紧凑、无电磁干扰、能量密度较高等优点而成为国内外研究的重点。压电式振动能量采集装置常采用的振动结构有悬臂梁结构、圆形结构、钹形结构等形式，其中传统的悬臂梁结构是能量采集器中最常见的形式，其结构简单，较容易实现。但是也有其缺点：若降低谐振频率则需要通过增加悬臂梁的长度，但悬臂梁过长不利于器件的微型化。此外，现有的能量采集器多为固定频率的工作方式，即能量采集器只能工作在较窄的单一频率范围内，而环境中的振源频率可能在某一范围内随时波动，或者有多个振动频率，这时若能量采集器的谐振频率与环境中的振源频率不能很好的匹配，则采集的能量会大大降低，整体的输出功率也会急剧减小，难以保证微电子器件的正常工作。
实用新型内容
本实用新型针对现有的能量采集器所存在的不足，提出了一种能适应较宽的环境振源频率波动范围，提高能量采集器的实用性。
本实用新型的技术方案是这样实现的。
一种新型压电振动能量采集器，包括外壳、固定磁体、移动磁体、压电双晶悬臂梁和弹簧，所述固定磁体设置在外壳内部的第一壁板的中间位置上，所述压电双晶悬臂梁一端固定在外壳内部第二壁板的中间位置上，所述弹簧一端和移动磁体连接在一起，另一端固定在外壳内部第二壁板上，移动磁体和弹簧共同套在压电双晶悬臂梁上。两个磁体同名磁极相对，用于构建一个双稳态系统，而内部谐振则是通过一个移动磁体和一个弹簧来实现的，在压电双晶悬臂梁的初始中心位置，磁力的水平分量压缩弹簧，当压电双晶悬臂梁远离中心位置向上振动时，水平分量的影响减弱，而竖直分量增强，水平分量的减少使弹簧拉伸，减小了磁体之间的水平距离，磁力的竖直分量随着距离的减小而增加，因此将压电双晶悬臂梁弯曲到其最大位移，在该终端位置，压电双晶悬臂梁的恢复力克服正常磁力，压电双晶悬臂梁向反方向振动，弹簧再次压缩，压电双晶悬臂梁上下振动的位移越大，带动压电双晶片产生的弯曲形变越大，通过压电双晶片输出的电压越大。
所述移动磁体和固定磁铁中心轴线位于同一水平轴线上。
所述移动磁体和固定磁体均采用钕铁硼永磁体，优选N52型钕铁硼永磁体，并且相向面磁化方向相同。
所述移动磁体和固定磁体形状可选为方形和圆柱形，优选为圆柱形，移动磁体为空心圆柱形结构。
所述压电双晶悬臂梁包括两片压电陶瓷和金属基板；两片压电陶瓷的大小相同、极化方向相反，且各所述压电陶瓷通过高强度粘结胶经过高温固化后，分别粘结在压电双晶悬臂梁的金属基板的上表面、下表面。
所述外壳为空心的呈圆柱体或长方体，优选长方体结构。外壳采用非导磁材料制成，优选材料为塑料。
本实用新型解决了技术背景中所存在的问题，具有以下增益效果。
一种新型压电振动能量采集器，结构简单，加工制作成本较低、无电磁干扰、相比传统的化学电池更具有环保无污染的优点，并在一定程度上可满足结构小型化、集成化的要求；环境适应能力强，可适应多种频率的振动环境，能量转化效率高。
附图说明
图1为本实用新型俯视结构示意图。
图2为本实用新型三维结构示意图。
附图标记说明。
1.外壳，2.固定磁体，3.移动磁体，41.金属基板，4.压电双晶悬臂梁，42.压电陶瓷，5.弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案详细描述。
如图1和图2所示，一种新型压电振动能量采集器，包括外壳(1)、固定磁体(2)、移动磁体(3)、压电双晶悬臂梁(4)和弹簧(5)，所述固定磁体(2)设置在外壳(1)内部的第一壁板的中间位置上，所述压电双晶悬臂梁(4)一端固定在外壳(1)内部第二壁板的中间位置上，所述弹簧(5)一端和移动磁体(3)连接在一起，另一端固定在外壳(1)内部第二壁板上，移动磁体(3)和弹簧(5)共同套在压电双晶悬臂梁(4)上。固定磁体(2)和移动磁体(3)同名磁极相对，用于构建一个双稳态系统，而内部谐振则是通过一个移动磁体(3)和一个弹簧(5)来实现的，在压电双晶悬臂梁(4)的初始中心位置，磁力的水平分量压缩弹簧(5)，当压电双晶悬臂梁(4)远离中心位置向上振动时，水平分量的影响减弱，而竖直分量增强，水平分量的减少使弹簧(5)拉伸，减小了磁体之间的水平距离，磁力的竖直分量随着距离的减小而增加，因此将压电双晶悬臂梁(4)弯曲到其最大位移，在该终端位置，压电双晶悬臂梁(4)的恢复力克服正常磁力，压电双晶悬臂梁(4)向反方向振动，弹簧(5)再次压缩，压电双晶悬臂梁(4) 上下往复运动，带动压电陶瓷(42)产生弯曲形变，之后通过输出电路将上、下压电陶瓷(42)中产生的电动势传输到微电子器件中加以利用。
在本实施例中，所选外壳(1)为空心长方体，其外表面长为60mm，宽为40mm，高为30mm，所选材料为塑料，所选固定磁体(2)和移动磁体(3)均采用N52型钕铁硼永磁体，固定磁体(2)为直径10mm，高度5的实心圆柱体，移动磁体(3)为直径10mm，高度5mm的空心圆柱体，并且两者磁化方向为轴向相反，所选金属基板(41)采用长45mm，宽6mm，高2mm的长方体结构，两片压电陶瓷(42)均采用长35mm，宽6mm，厚1mm的薄片，所选弹簧(5)选用钢丝绕制成的螺旋状弹簧。
Claims (5)
1.一种新型压电振动能量采集器，其特征在于：包括外壳(1)、固定磁体(2)、移动磁体(3)、压电双晶悬臂梁(4)和弹簧(5)，所述固定磁体(2)设置在外壳(1)内部的第一壁板的中间位置上，所述压电双晶悬臂梁(4)一端固定在外壳(1)内部第二壁板的中间位置上，所述弹簧(5)一端和移动磁体(3)连接在一起，另一端固定在外壳(1)内部第二壁板上，所述移动磁体(3)和弹簧(5)共同套在压电双晶悬臂梁(4)上，固定磁体(2)和移动磁体(3)同名磁极相对，用于构建一个双稳态系统，而内部谐振则是通过一个移动磁体(3)和一个弹簧(5)来实现的，在压电双晶悬臂梁(4)的初始中心位置，磁力的水平分量压缩弹簧(5)，当压电双晶悬臂梁(4)远离中心位置向上振动时，水平分量的影响减弱，而竖直分量增强，水平分量的减少使弹簧(5)拉伸，减小了磁体之间的水平距离，磁力的竖直分量随着距离的减小而增加，因此将压电双晶悬臂梁(4)弯曲到其最大位移，在该终端位置，压电双晶悬臂梁(4)的恢复力克服正常磁力，压电双晶悬臂梁(4)向反方向振动，弹簧(5)再次压缩，压电双晶悬臂梁(4)上下往复运动，带动压电陶瓷(42)产生弯曲形变，之后通过输出电路将上、下压电陶瓷(42)中产生的电动势传输到微电子器件中加以利用。
2.如权利要求1所述的一种新型压电振动能量采集器，其特征在于：所述外壳(1)为空心的呈圆柱体或长方体结构。
3.如权利要求1所述的一种新型压电振动能量采集器，其特征在于：所述固定磁体(2)和移动磁体(3)形状可选为方形和圆柱形，移动磁体(3)为空心结构。
4.如权利要求1所述的一种新型压电振动能量采集器，其特征在于：所述固定磁体(2)和移动磁体(3)中心轴线位于同一水平轴线上，并且相向面磁化方向相同。
5.如权利要求1所述的一种新型压电振动能量采集器，其特征在于：所述压电双晶悬臂梁(4)包括两片压电陶瓷(42)和金属基板(41)；两片压电陶瓷(42)的大小相同、极化方向相反，且各所述压电陶瓷(42)通过高强度粘结胶经过高温固化后，分别粘结在压电双晶悬臂梁(4)的金属基板(41)的上表面、下表面。
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