[發明專利]雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置

有效

• 申請號: 201210249090.9
• 申請日: 2012-07-18
• 公開（公告）號: CN102790547A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 曹樹謙;郭抗抗;孫舒
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及一種雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置，可有效利用周圍環境的振動能進行發電，屬于節能技術及再生環保新能源領域。

背景技術

利用壓電材料的正壓電效應可將周圍環境中的振動動能轉化成可利用的電能，壓電材料結構簡單、綠色環保、能量密度大、無電磁干擾且易于加工和實現微型化、集成化，具有明顯優勢。壓電發電裝置可用于微電子設備及移動電子設備等的供電，實現電子設備的自供能，免去更換電池或頻繁充電帶來的不便，從而提高電子設備的免維護性、使用壽命和使用范圍。

懸臂梁是壓電發電裝置中最常用的結構方式，例如，中國專利CN101944860A公布了一種壓電懸臂梁振動能量采集器用于微機電系統供電，美國專利WO2007121092A3也公布了一種用于MEMS供電的懸臂式壓電能量回收裝置。上述發電裝置只有達到諧振工作狀態時才能收集較多的能量，然而環境振動通常是隨機的低寬頻激勵，使壓電懸臂梁很難工作在共振狀態。為解決這一問題，美國專利WO2010151738A3公開了一種雙穩態壓電懸臂梁發電裝置，與線性發電結構相比，輸出電壓提高了2倍（開路狀態），輸出功率高出8倍。中國專利CN102064745A也公開了一種雙穩態壓電懸臂梁振子裝置，在一定程度上提高了寬帶低頻振動環境下壓電振動的發電效率。但上述各技術方案均是利用單個壓電懸臂梁進行發電，結構本身的限制使得對環境振動能的利用率低，單位時間內的發電量較小。

發明內容

針對上述現有技術中仍需改進之處，本發明提供一種雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置，以更適應環境振動激勵的特點，提高發電量和發電效率。

為了解決上述技術問題，本發明雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置予以實現的技術方案是：包括殼體，所述殼體內的中間位置固定有一夾具，所述夾具兩端與同側的殼體內壁之間均分別設一雙穩態壓電懸臂振子結構；所述雙穩態壓電懸臂振子結構包括固定在夾具上的一雙晶壓電懸臂梁，所述雙晶壓電懸臂梁的自由端設有第一永久磁鐵，在同側的殼體內壁上、且與所述第一永久磁鐵同一水平位置處固定有第二永久磁鐵，所述第一永久磁鐵和第二永久磁鐵按照磁極相對放置；所述雙晶壓電懸臂梁包括彈性梁，以及粘貼在彈性梁上、下表面的第一壓電層和第二壓電層，所述彈性梁、第一壓電層、第二壓電層的寬度及長度均分別相等；第一壓電層和第二壓電層的上下兩面均分別設有電極。

進一步講，本發明雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置，其中，夾具兩端的兩個壓電懸臂振子結構相對夾具的豎直中心面為對稱布置。所述夾具的高度大于雙晶壓電懸臂梁的最大撓度。

所述彈性梁選用銅和單晶硅中的一種。

所述第一壓電層和第二壓電層中的壓電材料選用PZT和PVDF中的一種。

所述電極由鍍鉑金層或鍍銀層構成，所述電極設有引出導線。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）將雙穩態振動系統用于壓電發電中，利用結構固有的非線性特性，在環境振動激勵和磁力的共同作用下壓電懸臂梁振子會發生隨機共振現象，振子在兩個穩態點之間做大幅周期運動。這種低寬頻激勵下的隨機共振，克服了線性系統只在固有頻率附近才能發生共振的限制，從而提高發電效率。

（2）將兩組雙穩態壓電懸臂梁振子對稱固定在同一夾具上，當外界環境的振動頻率落在本發電裝置的諧振頻帶內時，兩組發電振子將同時工作，從而有效提高單位時間內裝置的發電量。

本發明雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置置于電子設備或交通工具上，可將周圍環境的振動能轉化為電能，而雙穩態壓電發電結構固有的非線性特性，可實現寬低頻激勵下的大幅運動，從而有效利用環境振動進行發電，提高發電效率。同時，將兩組壓電懸臂梁組合起來以提高發電量。

附圖說明

圖1是雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置三維模型視圖；

圖2是雙穩態雙懸臂梁壓電發電裝置的主視圖；

圖3是上下表面均粘貼有壓電層的雙晶壓電懸臂梁3的局部結構示意圖；

圖4是兩永久磁鐵間排斥力作用示意圖；

圖5是雙穩態壓電懸臂梁振子的非線性勢能函數圖；

圖6是雙穩態壓電懸臂梁振子振動響應的時間歷程圖。

圖中：

1-殼體????????????2-夾具??????????3-雙晶壓電懸臂梁????????4-第一永久磁鐵

5-第二永久磁塊????6-第一壓電層????7-第二壓電層????????????8-導線

9-電極

具體實施方式