[實用新型]一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁

有效

• 申請號: 201420659319.0
• 申請日: 2014-11-04
• 公開（公告）號: CN204119087U
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 吳越;涂前進;李新波;劉勇;陳松;楊志剛
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 郭耀輝

技術領域

本實用新型屬于小功率發電領域，具體涉及一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁。

背景技術

壓電材料發現以來，其發電特性廣泛用于各種特定場合，包括用其將應力轉化為電能的性質形成的應變測試器件、直接用撞擊壓電材料產生瞬時高電壓形成的各類點火器件和電子引信器件、利用壓電陶瓷形成的壓電懸臂梁彎曲發電供給各類電子器件所形成的電子供電器件等。而壓電懸臂梁結構作為一種最簡單的壓電發電結構，已經得到了廣泛的研究與應用，壓電懸臂梁用于發電一般有兩種工作狀態，一種是工作在非共振頻率下，由其受力產生的變形引起壓電陶瓷產生應力與應變結合壓電效應形成發電能力，另外一種是工作在其共振頻率下，此時機械能轉化為電能的效率大幅提高。但在一些特殊的場合下外界激勵時刻發生變化，環境中的振動源振動頻率往往不穩定。

對于單懸臂梁的壓電振子不易實現與環境振動源振動頻率的良好匹配，這將導致壓電發電裝置的能量轉化效率低下。目前所存在的并列放置的多懸臂梁結構只是單純的從個數上增加了懸臂梁數量，未能建立起各懸壁梁之間的聯系，工作時只能保證個別懸臂梁達到最佳效果，這也導致壓電發電裝置的能量轉化效率低下。因此，可以通過特殊懸臂梁參數及其布置方式的設計拓寬壓電發電懸臂梁的共振頻帶寬度，實現裝置與振動環境振動源頻率的良好匹配，提高壓電發電效率。

發明內容

為了解決目前多壓電發電懸臂梁之間相互獨立導致的懸臂梁利用效率不高所引起的壓電發電裝置能量轉化效率低下的問題，提出了一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁結構，該懸臂耦合壓電發電懸臂梁由基座和至少三個長度各不相同的壓電振子組成，所述懸臂耦合壓電發電懸臂梁的基座與振動源固定，當環境中的振動源振動頻率較低時，所述第二壓電振子趨于共振并激勵第一壓電振子和第三壓電振子振動；當環境中的振動源振動頻率較高時，所述第一壓電振子趨于共振并激勵第二壓電振子振動進而激勵第三壓電振子振動；當環境中的振動源振動頻率適中時，所述第三壓電振子趨于共振并激勵第二壓電振子振動進而激勵第一壓電振子振動；三個壓電振子具有不同的共振頻率，并且相互耦合實現多模態振動，拓寬了壓電振子的共振頻帶寬度，實現與振動源的頻率匹配，提高了壓電發電效率。

為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

本實用新型一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁，包括基座和至少三個長度各不相同的壓電振子，其中：

所述壓電振子長度尺寸從小到大依次為第一壓電振子、第三壓電振子、第二壓電振子；所述壓電振子由彈性基板、壓電薄片材料和自由端質量塊組成；所述彈性基板表面粘貼有壓電薄片材料，長度方向一端布置有自由端質量塊，另一端與基座連接；所述第一壓電振子、第二壓電振子和第三壓電振子自上而下相互平行安裝在基座上；安裝后所述第一壓電振子上的自由端質量塊與第二壓電振子之間的間隙小于第一壓電振子上的自由端質量塊在第一壓電振子共振條件下的振幅；安裝后所述第二壓電振子與第三壓電振子上的自由端質量塊之間的間隙小于第三壓電振子上的自由端質量塊在第三壓電振子共振條件下的振幅，以保證各壓電發電懸臂梁振動時相互影響，實現多懸臂梁之間的振動耦合。

所述壓電振子采用由一片壓電薄片材料粘貼在帶有自由端質量塊的彈性基板上形成的單晶片壓電振子，或采用由兩片壓電薄片材料粘貼在帶有自由端質量塊的彈性基板兩側形成的雙晶片壓電振子，采用雙晶片壓電振子可以提高系統的發電能力。

工作時，懸臂耦合壓電發電懸臂梁的基座與振動源固定，當環境中的振動源振動頻率較低時，所述第二壓電振子趨于共振并激勵第一壓電振子和第三壓電振子振動；當環境中的振動源振動頻率較高時，所述第一壓電振子趨于共振并激勵第二壓電振子振動進而激勵第三壓電振子振動；當環境中的振動源振動頻率適中時，所述第三壓電振子趨于共振并激勵第二壓電振子振動進而激勵第一壓電振子振動。三個壓電振子具有不同的共振頻率，并且相互耦合實現多模態振動，拓寬了壓電振子的共振頻帶寬度，實現與振動源的頻率匹配，達到提高壓電發電效率的目的。

附圖說明

圖1是本實用新型一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁結構示意圖。

圖2是本實用新型一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁的整機圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2，本實用新型的一種懸臂耦合壓電發電懸臂梁是由基座1和至少三個長度各不相同的壓電振子2構成，其中：