CN102790548A - 双稳态复合悬臂梁压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体，所述壳体内的中央固定有一圆柱体夹具，所述夹具上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具上的一双晶片压电悬臂梁，粘贴在梁上下两面的第一压电层和第二压电层，梁自由端所设的第一永久磁铁以及在同侧壳体内壁上与第一永久磁铁磁极相对放置的第二永久磁铁；所述第一第二压电层的上下两面均分别设有电极；八个双稳态压电悬臂振子结构呈两两对称地布置；相互对称的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致。本发明装置的工作频域宽，发电效率和单位时间的发电量较单一压电悬臂梁结构及列阵式线性压电悬臂梁结构明显提高。

Description

双稳态复合悬臂梁压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，可有效收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

随着MEMS和便携式电子设备的应用日益广泛，使用化学电池供电的传统方式暴露出诸多弊端，如寿命短、需要定期更换、污染环境等；尤其对于工作条件苛刻或在人类难以接近的地方使用的电子设备而言，更换电池成本颇高且难以实现；因此，如何为这些电子设备供电已成为亟待解决的问题。利用压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动能转化成电能，以实现电子设备的自供能。

悬臂式压电振子因其振动频率低、能量转化率高且易于集成化而备受关注。中国专利（公开号CN101262189A）公开了一种双晶悬臂式压电发电装置以收集弯曲振动能量转化为电能，中国专利（公开号CN102420542A）公开了一种单晶片悬臂式压电振动发电机，将压电层和弹性梁的有效长度比值调整为0.66，提高了发电机的开路输出功率。上述悬臂式发电装置，当其振动最大时，压电片变形最大，此时产生的电量最多。这便要求外激励和悬臂梁的固有频率尽量保持一致。然而环境中的振动源振动频率往往是不稳定的，因此这种装置很难实现与环境振动频率的良好匹配，能量转化效率低、发电量小。

为了提高发电效率，中国专利（公开号CN102412757A）提出一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机，通过调节悬臂梁端部质量块的位置改变悬臂梁的有效刚度，以调节压电发电机的基频共振频率使之与激励频率匹配，但这种方式在实际应用中较难实现。中国专利（公开号CN101272109A）和（公开号CN102148587A）分别公布了一种多悬臂梁式和多悬臂板式的压电发电装置，拓宽了压电发电装置的共振频带，但此类阵列式发电装置各压电振子无法同时工作，要达到足够的带宽则需要多个悬臂梁，导致结构体积较大，难以实现微型化。

美国专利（公开号WO2010151738A3）和中国专利（公开号CN102064745A）公开了一类双稳态压电悬臂梁发电装置，有效拓宽了悬臂梁的共振频带，但其带宽范围仍是有限的，一旦环境频率偏离压电悬臂振子的共振频带范围，发电装置的响应敏感度则会下降，无法充分吸收环境中的振动能。

发明内容

针对目前压电悬臂梁发电装置环境适应性差、发电效率低、单位时间内发电量小的问题，为了使压电发电装置能更适应环境中随机、宽带、低频的小幅振动源，本发明提供一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，通过改进结构设计，使之具有更宽的工作频率带，同时提高单位时间的发电量，优化提升发电装置的综合性能。

为了解决上述技术问题，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置予以实现的技术方案是：包括壳体，所述壳体内的中央位置固定有一圆柱体夹具，所述圆柱体夹具上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，所述八个双稳态压电悬臂振子结构呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具上的一双晶片压电悬臂梁，所述双晶片压电悬臂梁的自由端设有第一永久磁铁，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁的质量相同，且按照磁极相对放置；所述双晶片压电悬臂梁包括弹性梁以及分别粘贴在弹性梁上下表面的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层、第二压电层和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为0.6，第一压电层和第一压电层的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极；装夹在圆柱体夹具上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子的结构参数一致，相邻布置的双稳态压电悬臂振子的结构参数不同。

进一步讲，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其中，每个双晶片压电悬臂梁上的第一压电层和第二压电层之间采用串联或并联连接。将环形阵列的八个双稳态压电悬臂振子结构按照沿环形相邻四个为一组的方式分为两组，每组包括的四个压电悬臂振子串联连接，两组之间则并联连接。

所述双稳态压电悬臂振子的结构参数包括双晶片压电悬臂梁的尺寸和第一永久磁铁和第二永久磁铁的质量。

所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。所述第一压电层和第二压电层中压电材料选用PZT和PVDF中的一种。所述电极由铂金镀层或银镀层构成，所述电极设有引出导线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）利用双稳态压电发电***固有的非线性特性，在环境振动激励和磁力的共同作用下使压电悬臂梁振子发生随机共振，与传统压电悬臂梁振子相比，双稳态***具有较宽的谐振频带和较大响应幅值，正符合环境中随机、宽频弱激励的特点，从而提高发电效率。

（2）本发明由八个结构参数不尽相同的双稳态压电悬臂梁振子组成，导致其对应的谐振频带也不尽相同，从而使整个发电装置具有更宽的工作频率；同时，对称安置的压电振子具有相同结构参数的设计使得当外界环境的振动频率落在本发电装置的谐振频带内时，至少会有两个发电振子同时工作，从而有效提高单位时间内装置的发电量。

附图说明

图1是本发明中双稳态压电悬臂振子结构的侧视图；

图2是本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置的立体结构示意图；

图3是图2所示双稳态复合悬臂梁压电发电装置的俯视图；

图4是同一个双稳态压电悬臂振子结构中第一、第二永久磁铁间排斥力作用示意图；

图5是本发明双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图。

图中：

1-双晶片压电悬臂梁     2-第一压电层        3-第二压电层

4-电极                 5-导线              6-第一永久磁块

7-第二永久磁块         8-壳体              9-圆柱体夹具

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图2和图3所示，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体8，所述壳体8内的中央位置固定有一圆柱体夹具9，所述圆柱体夹具9上均布有八个双稳态压电悬臂振子，所述八个双稳态压电悬臂振子呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子包括固定在夹具上的一双晶片压电悬臂梁1，所述双晶片压电悬臂梁1的自由端设有第一永久磁铁6，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁6同一水平位置处固定有第二永久磁铁7；所述双晶片压电悬臂梁1包括弹性梁以及分别粘贴在弹性梁上下表面的第一压电层2和第二压电层3，所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种，所述第一压电层2和第二压电层3中压电材料选用PZT和PVDF中的一种；所述第一压电层2、第二压电层3和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为0.6，第一压电层2和第一压电层3的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层2和第二压电层3的上下两面均分别设有电极4；所述第一永久磁铁6和第二永久磁铁7的质量相同，且按照磁极相对放置；装夹在圆柱体夹具9上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具9的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致，即双晶片压电悬臂梁尺寸及两个磁块的质量完全相同；但相邻布置的双稳态压电悬臂振子结构的参数不同，所述双稳态压电悬臂振子的结构参数包括双晶片压电悬臂梁1的尺寸和第一永久磁铁6和第二永久磁铁7的质量。

当环境振动时，外界的机械振动通过夹紧装置带动各个双晶片压电悬臂梁发生横向振动，此时位于双晶片压电悬臂梁上下表面的第一、第二压电层发生形变产生电荷。

本发明中所述第一、第二永久磁块6和7为矩形，且按同磁极相对放置，所产生的排斥力，使得压电悬臂振子在适当条件下（压电振子为负刚度***时）发生随机共振，此时振子在两个稳态之间自由跃迁，从而拓宽了压电振子的谐振频带。对称固定的压电悬臂梁振子因结构参数一致而具有相同的谐振频带，但与其他各个压电悬臂振子的谐振频带却不重合，从而有效拓宽整个发电装置的工作频带。此外，当环境振动频率落在整个发电装置的工作频带内时将至少有两个双稳态压电振子同时工作，从而提高了发电装置单位时间内的发电量。每个双晶片压电悬臂梁1上的第一压电层2和第二压电层3之间采用串联或并联连接。将环形阵列的八个双稳态压电悬臂振子结构按照沿环形相邻四个为一组的方式分为两组，每组包括的四个压电悬臂振子串联连接，两组之间则并联连接。即8个双稳态压电悬臂振子结构之间采用串-并混联的方式连接。每层压电层的上下表层均镀有由铂金镀层或银镀层构成的电极4，并焊有引线作为导线5，以方便与后续的收集存储装置连接。

本发明的复合悬臂梁结构可用微加工技术实现与微电子器件的集成；也可应用传统工艺制成大尺寸结构，用于车载或其他移动式电子设备。

实施例：

图1示出了本发明中双稳态压电悬臂振子结构，包括双晶片压电悬臂梁1，所述双晶片压电悬臂梁1的上、下两表面分别粘贴有第一压电层2和第二压电层3；所述第一压电层2和第二压电层3与双晶片压电悬臂梁1上的弹性梁的宽度相同，所述第一压电层2和所述第二压电层3的长度均为弹性梁长度的60%。第一压电层2和第二压电层3的极化方向沿悬臂梁的厚度方向，如图1中的P所示箭头方向，压电层均采用压电陶瓷片，在每个压电陶瓷片的上、下表面均镀有电极4，通过导线5可与整流存储电路连接；双晶片压电悬臂梁1的自由端粘贴有第一永久磁铁6，在壳体8的内壁上，对正着第一永久磁铁6的位置处固定有第二永久磁铁7，两块磁铁同磁极一侧相对放置以提供排斥力。

图2和图3分别是整个双稳态复合悬臂梁压电发电装置的安装图和俯视图，圆柱体夹具9固定在一轮廓为八棱柱的绝缘壳体8的中部，八个双晶片压电悬臂梁1的一端分别***到圆柱体夹具9内，且八个双晶片压电悬臂梁1呈环形阵列布置；当外界环境振动时，圆柱体夹具9会随之而产生振动，从而带动八个双晶片压电悬臂梁1发生横向受迫振动，粘贴在悬臂梁上下表面的压电陶瓷片随之发生形变，从而将环境中的振动机械能转化为电能。

本发明中，对称固定的压电悬臂梁振子因结构参数一致而具有相同的谐振频带，但与其他各个压电悬臂振子的谐振频带却不重合，可以有效拓宽整个发电装置的工作频带，从而使整个装置具有较宽的谐振频带。

图4是第一、第二永久磁铁间排斥力作用示意图，两磁铁相邻的端面间距为d，矩形磁铁的长为l0，改变间距d的大小会引起两磁铁之间排斥力大小的改变；当间距d调整到合适的范围内时，非线性势函数会出现两个稳态势阱，从而使压电悬臂梁振子构成一个双稳态***；d的范围与双稳态压电悬臂梁振子的结构参数有关，对于所发明装置而言，由于各个梁的结构参数不尽相同，因此各个压电振子两磁铁间距d的范围也不同。

图5是利用matlab（在数值计算、数值仿真、工程绘图等方面应用广泛，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，本发明所使用的版本是2010a）数值仿真得到的双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图，图5中的a是压电悬臂梁振子模型的刚度系数，且：

$a=\frac{{3\mathrm{\μ}}_0{M}^2{V}^2}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^{4}L}-k$

其中，μ₀=4π×10-7H/m为真空磁导率，M为磁铁的磁化强度，V为磁铁的体积，δ为两磁铁中心之间的水平距离，L为梁端部磁铁中心到梁根部的水平距离，k是不加磁铁时悬臂梁的刚度。当a为正值时，悬臂梁振子才可能构成双稳态***；从而可以确定不同结构参数的各个压电振子可构成双稳态***的条件，即磁铁端面间距d的适宜范围。

本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其中，双晶片压电悬臂梁1的材料、尺寸，第一永久磁铁和第二永久磁铁的大小及磁铁的间距可根据具体情况进行调整。双晶片压电悬臂梁上的弹性梁可采用铝、铜、单晶硅或其他复合材料；压电层中压电材料选用PZT、PVDF或其他压电复合材料；第一永久磁铁和第二永久磁铁可选用矩形钕永久磁铁等。

综上所述，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置的工作频域宽，发电效率和单位时间的发电量较单一压电悬臂梁结构及列阵式线性压电悬臂梁结构明显提高。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体（8），其特征在于，所述壳体（8）内的中央位置固定有一圆柱体夹具（9），所述圆柱体夹具（9）上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，所述八个双稳态压电悬臂振子结构呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在圆柱体夹具上的一双晶片压电悬臂梁（1），所述双晶片压电悬臂梁（1）的自由端设有第一永久磁铁（6），在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁（6）同一水平位置处固定有第二永久磁铁（7），所述第一永久磁铁（6）和第二永久磁铁（7）的质量相同，且按照磁极相对放置；

所述双晶片压电悬臂梁（1）包括弹性梁以及分别粘贴在弹性梁上下表面的第一压电层（2）和第二压电层（3），所述第一压电层（2）、第二压电层（3）和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为0.6，第一压电层（2）和第一压电层（3）的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层（2）和第二压电层（3）的上下两面均分别设有电极（4）；

装夹在圆柱体夹具（9）上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具（9）的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致，相邻布置的双稳态压电悬臂振子结构的参数不同。

2.根据权利要求1所述双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其特征在于，每个双晶片压电悬臂梁（1）上的第一压电层（2）和第二压电层（3）之间采用串联或并联连接。

3.根据权利要求2所述双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其特征在于，将环形阵列的八个双稳态压电悬臂振子结构按照沿环形相邻四个为一组的方式分为两组，每组包括的四个压电悬臂振子串联连接，两组之间则并联连接。

4.根据权利要求1所述双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其特征在于，所述双稳态压电悬臂振子结构的参数包括双晶片压电悬臂梁（1）的尺寸和第一永久磁铁（6）和第二永久磁铁（7）的质量。

5.根据权利要求1所述双稳态复合悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。

6.根据权利要求1所述双稳态复合悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述第一压电层（2）和第二压电层（3）中压电材料选用PZT和PVDF中的一种。

7.根据权利要求1所述双稳态复合悬臂梁压电发电转置，其特征在于：所述电极（4）由铂金镀层或银镀层构成，所述电极（4）设有引出导线（5）。

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