[發(fā)明專利]雙穩(wěn)雙壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310423012.0
• 申請(qǐng)日: 2013-09-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103475265A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 冷永剛;高毓璣;范勝波;賴志慧;郭焱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 董一寧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于振動(dòng)或壓電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，具體涉及一種采用壓電懸臂梁支撐外部磁鐵的雙穩(wěn)雙壓電懸臂梁，對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行采集發(fā)電的裝置。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著微電子和無(wú)線電波技術(shù)的發(fā)展，手持型電子設(shè)備和無(wú)線傳感器進(jìn)入了小型、低功耗化的時(shí)代。通常情況下，這些設(shè)備都是依靠傳統(tǒng)的電池來(lái)提供能量，如鎳氫電池、鋰聚合物電池等。但是眾所周知，這種電池主要的缺點(diǎn)在于：一是（相對(duì)于微型傳感器）體積相對(duì)較大，限制了微傳感器的進(jìn)一步小型化；二是供能時(shí)間或功率有限，使用一段時(shí)間后需要更換或者充電，尤其對(duì)處在氣候惡劣或者遙遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)線傳感器而言，這是個(gè)很苛刻的制約條件。由于能量采集器可把環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換成電能，所以受到日益廣泛的重視。

在振動(dòng)能量采集器中，壓電式振動(dòng)能量采集方式較為普遍，它利用壓電晶體（受到外界振動(dòng)力）的作用而引起其內(nèi)部電荷的流動(dòng)而產(chǎn)生電能。由于直線型懸臂梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生最大的撓度和柔順系數(shù)，具有較低的諧振頻率和較寬的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，成為壓電式振動(dòng)能量采集器的首選結(jié)構(gòu)。但是這種能量采集器的缺陷是達(dá)到最大輸出的激勵(lì)信號(hào)頻帶過(guò)窄，很難與環(huán)境中較寬頻率范圍（以低頻分量較為常見(jiàn)）的有效振動(dòng)激勵(lì)相匹配。為克服此缺陷，非線性壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器成為研究熱點(diǎn)，這種能量采集器能夠在寬頻譜范圍上表現(xiàn)出更好的振動(dòng)能量采集性能。

從結(jié)構(gòu)上，非線性壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器采用單根壓電懸臂梁，其外部磁鐵的支撐通常是剛性支撐，壓電懸臂梁隨振動(dòng)激勵(lì)圍繞外部磁鐵進(jìn)行雙穩(wěn)態(tài)振蕩。當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度不足時(shí)，懸臂梁的響應(yīng)無(wú)法達(dá)到大幅度的雙穩(wěn)躍遷振蕩，從而降低了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。為了提高轉(zhuǎn)換效率，那么支撐外部磁鐵的結(jié)構(gòu)就成為關(guān)鍵問(wèn)題。本發(fā)明提出可使該問(wèn)題得到解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是，提出了一種壓電懸臂梁支撐外部磁鐵的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一種雙穩(wěn)雙壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器，可保證系統(tǒng)在低強(qiáng)度激勵(lì)條件下也能處于雙穩(wěn)狀態(tài)振蕩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的提高。

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案予以說(shuō)明。雙穩(wěn)雙壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器包括：懸臂梁、磁鐵、壓電片以及直角基座等，兩個(gè)懸臂梁置于同一水平線左右布置，左側(cè)懸臂梁的自由端裝有內(nèi)磁鐵，右側(cè)懸臂梁的自由端裝有外磁鐵，兩懸臂梁的固定端固定安裝在直角基座的垂直面。外磁鐵與內(nèi)磁鐵的磁極性相對(duì)排斥設(shè)置。在每個(gè)懸臂梁固定端距離直角基座垂直面2-3mm的位置分別粘貼有壓電片。由懸臂梁的振動(dòng)使壓電片產(chǎn)生電能，壓電片接有引線將電能輸出。

本發(fā)明的技術(shù)原理是，布置在左右懸臂梁上的兩塊磁鐵因極性相同而相互排斥，依據(jù)其技術(shù)結(jié)構(gòu)組成雙穩(wěn)系統(tǒng)，兩個(gè)磁鐵均由彈性懸臂梁支撐。當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，左右兩懸臂梁可以形成圍繞初始平衡位置而產(chǎn)生雙穩(wěn)躍遷振蕩。采用兩個(gè)磁鐵壓電懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境振動(dòng)為隨機(jī)激勵(lì)時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置會(huì)隨著時(shí)間不斷變化，因此躍遷振蕩極限位置也隨時(shí)間隨機(jī)變化。躍遷振動(dòng)過(guò)程中，左右兩懸臂梁上下彎曲使得梁表面上的壓電片變形，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電片會(huì)有電荷產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)電能輸出引線可將產(chǎn)生的電能或電壓輸出。

本發(fā)明的特點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果在于：對(duì)于變化的環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)振動(dòng)，采用壓電懸臂梁支撐外部磁鐵的雙穩(wěn)雙壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變情況下，系統(tǒng)能夠更有效地將強(qiáng)度變化的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)能量轉(zhuǎn)換為電能。而剛性支撐內(nèi)外磁鐵系統(tǒng)則需要根據(jù)環(huán)境激勵(lì)強(qiáng)度的變化，不斷地對(duì)磁鐵的間距進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。將本裝置設(shè)置在道路旁和具有振動(dòng)激勵(lì)背景下的場(chǎng)合，即可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理示意圖。

圖2是激勵(lì)水平為1V時(shí)壓電懸臂梁支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

圖3是激勵(lì)水平為0.5V時(shí)壓電懸臂梁支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

圖4是激勵(lì)水平為0.1V時(shí)壓電懸臂梁支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

圖5是激勵(lì)水平為1V時(shí)剛性支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

圖6是激勵(lì)水平為0.5V時(shí)剛性支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

圖7是激勵(lì)水平為0.1V時(shí)剛性支撐外部磁鐵系統(tǒng)輸出的電壓波形。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。