CN102820805B - 压电电磁复合式微能源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电电磁复合式微能源装置。现有装置中的质量块本身并不发电，会降低输出功率密度。本发明包括基座、压电发电组和磁性发电组。压电发电组包括基板，基板的两面设置有压电片，压电片的外表面覆有金属电极层。磁性发电组包括铁芯和磁铁，铁芯外缠有漆包线，铁芯和磁铁中的一个固定设置在基板自由端的下表面，另一个采用一对，设置在水平底座上。压电发电组通过压电片弯曲形变发电，磁性发电组通过切割磁力线发电。本发明在充分考虑压电式微能源装置结构的基础上，在压电式微能源装置上复合电磁式微能源装置，使质量块本身也发电的微能源装置，提高了装置的输出功率密度。
Description
技术领域
本发明属于压电技术领域，涉及一种压电电磁复合式微能源装置，具体是一种给传感***、致动***、智能***等各种嵌入式微***提供能源的装置。
背景技术
微能源装置是一种通过自动采集环境中的振动能量，供给电子电路能量的装置，可用于植入人体的生物传感器、置于汽车轮胎内部的胎压监测***、工厂电机中的分布式传感器***等。利用环境的振动能来给***供电的微能源装置，相对于传统的锂电池具有输出功率密度不随时间变化的特点，如：使用一年，压电式微能源装置的输出功率密度为250μW/ cm3，电磁式微能源装置的输出功率密度为10μW/cm3，不可充电锂离子电池的输出功率密度为45μW/ cm3；使用十年，压电微能源装置的输出功率密度依然为250μW/ cm3，电磁式微能源装置的输出功率密度依然为10μW/cm3，不可充电Li离子电池的输出功率密度则为35μW/ cm3。从中可以看出，锂离子电池的输出功率密度随时间的推移，会降低。而采集环境振动能的微能源装置则不会，同时以压电式微能源装置的输出功率密度为最高。目前压电式微能源装置多为悬梁结构，通常在悬梁顶端设置质量块，以降低其频率。但质量块本身并不发电，会降低输出功率密度。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种高输出功率密度的压电电磁复合式微能源装置，适合在生物传感器、胎压监测、电机检测等***中使用。
本发明包括基座、压电发电组和磁性发电组。
所述的基座的截面为L形，包括水平底座和竖直设置在水平底座上的压电发电组安装座。
所述的压电发电组包括基板、压电片和金属电极层，基板的固定端固定设置在压电发电组安装座上、自由端悬空；所述的基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料；基板的两面分别设置有压电片，压电片的一面与基板固定连接，另一面覆有金属电极层；金属电极层上连接有压电发电组正极引线，基板上连接有压电发电组负极引线。
所述的磁性发电组包括铁芯和磁铁，铁芯外缠有漆包线，漆包线的两头分别连接有磁性发电组正极引线和磁性发电组负极引线；磁性发电组正极引线与压电发电组正极引线连接，作为微能源装置的正极引线；磁性发电组负极引线与压电发电组负极引线连接，作为微能源装置的负极引线。
所述的铁芯或磁铁固定设置在基板自由端的下表面；如果铁芯固定在基板上，两个磁铁固定设置在水平底座上，且两个磁铁分设在铁芯在水平底座投影上的两边，当铁芯运行到最低时，铁芯上的线圈完全处于两个磁铁之间；如果磁铁固定在基板上，两个铁芯固定设置在水平底座上，且两个铁芯分设在磁铁在水平底座投影上的两边，当磁铁运行到最低时，磁铁完全处于两个铁芯上的线圈之间。
所述基板的材料为磷青铜，所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。
工作时，基板的自由端在受力或者共振的情况下上下移动，压电发电组的压电片发生弯曲形变，产生电荷；同时磁性发电组通过切割磁力线进行发电；设置在基板自由端的铁芯或磁铁作为压电发电组的质量块，增加了压电片弯曲程度。
本发明在充分考虑压电式微能源装置结构的基础上，提出在压电式微能源装置上复合电磁式微能源装置，使质量块本身也发电的微能源装置，提高了装置的输出功率密度。
附图说明
图1为本发明一个实施例的侧面结构示意图；
图2为图1的正面结构示意图；
图3为本发明另一实施例的侧面结构示意图；
图4为图2的正面结构示意图。
具体实施方式
实施例1.
如图1和2所示，压电电磁复合式微能源装置包括基座、压电发电组和磁性发电组。
基座的截面为L形，包括水平底座1-1和竖直设置在水平底座上1-1的压电发电组安装座1-2。
压电发电组包括基板2、压电片和金属电极层，基板2的固定端固定设置在压电发电组安装座1-2上、自由端悬空。基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料，如磷青铜材料。基板的两面分别设置有压电片3-1和3-2，压电片采用采用掺杂锆钛酸铅材料，一面与基板2固定连接，另一面分别覆有金属电极层4-1和4-2。金属电极层4-1和4-2上连接有压电发电组正极引线，基板2上连接有压电发电组负极引线。
磁性发电组包括铁芯5和磁铁7，铁芯5外缠有漆包线6，漆包线的两头分别连接有磁性发电组正极引线和磁性发电组负极引线；磁性发电组正极引线与压电发电组正极引线连接，作为微能源装置的正极引线；磁性发电组负极引线与压电发电组负极引线连接，作为微能源装置的负极引线。
铁芯5采用一块，固定设置在基板2自由端的下表面；磁铁采用两个，分别固定设置在水平底座1-1上，且两个磁铁7-1和7-2分设在铁芯5在水平底座1-1投影上的两边，当铁芯运行到最低时，铁芯5上的漆包线6构成的线圈完全处于两个磁铁7-1和7-2之间。
实施例2.
如图3和4所示，压电电磁复合式微能源装置包括基座、压电发电组和磁性发电组。
基座的截面为L形，包括水平底座1-1和竖直设置在水平底座上1-1的压电发电组安装座1-2。
压电发电组包括基板2、压电片和金属电极层，基板2的固定端固定设置在压电发电组安装座1-2上、自由端悬空。基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料，如磷青铜材料。基板的两面分别设置有压电片3-1和3-2，压电片采用采用掺杂锆钛酸铅材料，一面与基板2固定连接，另一面分别覆有金属电极层4-1和4-2。金属电极层4-1和4-2上连接有压电发电组正极引线，基板2上连接有压电发电组负极引线。
磁性发电组包括铁芯5和磁铁7，铁芯5外缠有漆包线6，漆包线的两头分别连接有磁性发电组正极引线和磁性发电组负极引线；磁性发电组正极引线与压电发电组正极引线连接，作为微能源装置的正极引线；磁性发电组负极引线与压电发电组负极引线连接，作为微能源装置的负极引线。
磁铁7采用一个，固定设置在基板2自由端的下表面；铁芯采用两块，分别固定设置在水平底座1-1上，且两个铁芯5-1和5-2分设在磁铁7在水平底座1-1投影上的两边，当磁铁7运行到最低时，磁铁7完全处于两个铁芯5-1和5-2上的漆包线6-1和6-2构成的线圈之间。
实施例1和2中，基板的长度、宽度、厚度之比为a:b:c=20～40:5:1；压电片同基板的长度比为d:e=2:2.2～3.5，厚度比为f:g=2～4:1；磁铁对（或铁芯对）的距离同铁芯线圈（或磁铁）的宽度之比为x:y=1:0.98。磁铁的高度与铁芯线圈的高度比为z：w=1：1。
本发明的工作原理与工作过程：
对于本发明中的压电电磁式复合微能源装置来说，其自由端的挠度W同自由端所施加的力F之间应该满足如下关系式：
其中EI为等效抗弯刚度。
定义刚度系数Ku
考虑到等效抗弯刚度EI为：
其中Ep为压电层弹性模量，Em为基板弹性模量，b为宽度，tp为压电层厚度，tm为基板厚度。
由以上三式可以得出刚度系数同尺寸的函数关系式为：
考虑到频率的表达式为：
则在考虑频率以及刚度的情况下，可以确定压电层以及基板的尺寸。
同时，考虑压电微能源发电装置具有基于d31和d33两种模式，其发电时产生的电荷同电压之间由如下关系式描述：
Q=CtotalV
总电容Ctotal包含有压电层本征电容C0和压电响应电容Ce；
压电微能源发电装置的最大输出功率为：
R0为本征电阻；
对于基于d33模式的压电微能源发电装置来说，其压电层的本征电容C0可表达为：
其中为压电层的厚度，为电学电容的介电常数。
对于电极对数为n的基于d33模式得压电微能源发电装置来说，其压电响应电容的表达式为：
同样，对于基于d33模式得压电微能源发电装置来说，其本征电阻的表达式为：
而同样，对于基于d31模式的压电微能源发电装置来说，其压电层的本征电容C0可表达为：
其压电响应电容的表达式为：
其本征电阻的表达式为：
在考虑一定刚度系数的条件下，可以获得基板以及压电层的具体尺寸。
工作时，基板自由端在受力或者共振的情况下上下移动，绕有漆包线的铁芯通过磁铁对的磁场，切割磁力线，漆包线中将有交流电输出；同时压电陶瓷层弯曲形变，导致压电陶瓷表面束缚电荷的改变。压电陶瓷表面束缚电荷变化，会引起电场的变化，推动自由电子的移动，此时压电陶瓷两端会有峰值不定的交流电输出。将输出的交流电流经整流、滤波后存储起来可供给电子装置。
Claims (2)
1. 压电电磁复合式微能源装置，包括基座、压电发电组和磁性发电组，其特征在于：
所述的基座的截面为L形，包括水平底座和竖直设置在水平底座上的压电发电组安装座；
所述的压电发电组包括基板、压电片和金属电极层，基板的固定端固定设置在压电发电组安装座上、自由端悬空；所述的基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料；基板的两面分别设置有压电片，压电片的一面与基板固定连接，另一面覆有金属电极层；金属电极层上连接有压电发电组正极引线，基板上连接有压电发电组负极引线；
所述的磁性发电组包括铁芯和磁铁，铁芯外缠有漆包线，漆包线的两头分别连接有磁性发电组正极引线和磁性发电组负极引线；磁性发电组正极引线与压电发电组正极引线连接，作为微能源装置的正极引线；磁性发电组负极引线与压电发电组负极引线连接，作为微能源装置的负极引线；
所述的铁芯或磁铁固定设置在基板自由端的下表面；如果铁芯固定在基板上，两个磁铁固定设置在水平底座上，且两个磁铁分设在铁芯在水平底座投影上的两边，当铁芯运行到最低时，铁芯上的线圈完全处于两个磁铁之间；如果磁铁固定在基板上，两个铁芯固定设置在水平底座上，且两个铁芯分设在磁铁在水平底座投影上的两边，当磁铁运行到最低时，磁铁完全处于两个铁芯上的线圈之间。
2.如权利要求1所述的压电电磁复合式微能源装置，其特征在于：所述基板的材料为磷青铜，所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。
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