[發明專利]一種雙穩態壓電能量回收結構

在審

• 申請號: 201711233871.8
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107769616A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 馬天兵;吳曉東;杜非;高飛彪;陳南;鄒莉君
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明屬于能量回收領域，主要涉及對振動能量進行收集，特別是一種雙穩態壓電能量回收結構。

背景技術：

振動能量回收是將周圍環境中的機械振動能量轉化為可被利用的電能。廣泛的應用于MEMS等微功耗系統，隨著無線傳感網絡技術的發展，其在環境監測、建筑、軍事、汽車等領域都得到了廣泛的運用。壓電能量回收裝置因具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾、易于加工制作、實現結構的微型化、集成化等特點。在能量回收領域具有很好的應用前景，并且壓電能量回收裝置能夠產生較高電壓及不需要額外的電源供電。在一些特殊的場合，傳感節點的供電電源無法定期更換，需要用一種更方便、安全的微型儲能器件代替傳統的電池。因此，壓電能量收集技術已成為研究熱點。

振動能是自然界中普遍存在的能量形式，并且具有較高的能量密度，通常振動能量收集裝置是通過機電轉換材料將外部的振動能轉化成電能，壓電能量收集具有功率密度大，結構簡單，易于集成化和微型化，能夠實現對微電子器件的供電的要求，符合微電子器件供電的發展趨勢，在振動能量回收領域得到了廣泛的應用。

發明內容：

本發明的目的是提供一種結構簡單，性能穩定。一種雙穩態壓電能量回收結構，實現對周圍環境中的振動能量進行收集。一種雙穩態壓電能量回收結構克服了壓電懸臂梁應變不均勻、變形量隨振動變化而變化、工作頻帶窄等缺點。提供了一種雙穩態壓電能量回收結構，具有工作頻帶寬，變形量大并等強度變形，能量收集效率高等優點，可以將周圍環境中的振動能轉變為電能。

為達到本發明的目的，本發明采用的技術方案如下：

實現本發明的目的技術解決方案為,一種雙穩態壓電能量回收結構，該裝置結構包括：雙穩態圓弧形懸臂梁、彈性壓電元件、磁鐵、彈簧、固定端、殼體；其特征在于：所述磁鐵包括有兩類，一類是小磁鐵共兩塊，一類是大磁鐵共四塊，兩塊小磁鐵安裝在雙穩態圓弧形懸臂梁末端，四塊大磁鐵安裝在殼體內和小磁鐵對應的上下面位置；所述的雙穩態圓弧形壓電懸臂梁上下表面均勻對稱地粘貼彈性壓電元件；所述的磁鐵的磁性都是同性的；所述的在雙穩態懸臂梁下端的彈簧通過螺栓與殼體固定，上端的彈簧通過螺栓連接，其中上端的螺栓不固定，能夠感知外界的振動。所述的雙穩態圓弧形懸臂梁是采用鋁或鋁合金等的輕金屬；所述壓電材料需要具有高壓電常數和高的機電耦合常數及介電常數，通常可以采用壓電陶瓷、壓電晶片或壓電薄膜等壓電材料；所述的磁鐵沿著軸向磁化，都采用釹鐵硼永磁鐵；所述的彈簧都采用輕質彈簧；所述的雙穩態圓弧形懸臂梁具有在外部載荷作用下能夠產生均勻的應變。其原理是通過在上方的螺母受到外界的振動作用，將會使得雙穩態圓弧形懸臂梁運動，并在磁鐵排斥力的作用下，雙穩態圓弧形懸臂梁會隨外界振動的作用下，在兩種穩態之間來回跳變，使得壓電材料隨著雙穩態圓弧形懸臂梁的跳變而產生應變，并能夠在雙穩態圓弧形懸臂梁上產生均勻的應變，從而產生電能。此種雙穩態壓電能量收集結構具有彈性元件的變形量大，工作頻帶寬，提高結構的能量收集效率。

在自然狀態下，雙穩態圓弧形懸臂梁在彈簧和磁鐵的作用下處于平衡狀態，各壓電振子均處于自然狀態，即不受外力作用、不產生形變。當上端的螺栓受外界振動作用時，雙穩態圓弧形懸臂梁位置即發生變化，從而使壓電振子產生彎曲變形，并將機械能轉換成電能。

本發明與現有技術比較，具有以下顯著優點：(1)本發明實用性強，通過對環境中的振動能量進行收集而代替化學電池為其他微電子設備、無線傳感節點等微功耗器件供電，其屬于可再生能源。(2)本發明是一種雙穩態結構，利用外界振動，和磁鐵間相互排斥力的作用下，在兩種穩態結構跳變，對能量進行收集，能量收集效率高。(3)本發明采用一種雙穩態壓電能量回收結構，能夠在雙穩態圓弧形懸臂梁上產生均勻的應變，從而產生電能，此種雙穩態壓電能量收集結構具有彈性元件的變形量大，工作頻帶寬等特點。

附圖說明：

圖1是本發明一種雙穩態壓電能量回收結構；

圖2是本發明雙穩態結構在兩種穩態之間跳變；

圖3是本發明在雙穩態圓弧形懸臂梁表面上粘貼壓電元件；

圖4是本發明裝置在兩種穩態進行跳變時結構的受力圖；

在所有的附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或是結構，其中：1為大磁鐵；2為小磁鐵；3為雙穩態圓弧形懸臂梁；4為殼體；5為螺栓；6為彈簧；7為彈性壓電元件。

具體實施方式：

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的詳細說明。此處描述的具體實施方式僅僅是對本發明進行解釋，不對本發明進行限定。