CN104270032B - 双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置，该装置包括梁架、壳体；所述壳体为圆球形，底部切有圆形开口；梁架和壳体各自固定在基座上；梁架的振动会引起压电悬臂梁的变形，压电悬臂梁发生形变时会因压电效应产生电能；压电悬臂梁的数量为二十五个，所述各层间及各压电悬臂梁间呈均匀、环形分布；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，具有较低的谐振频率和更大的振幅，所以产生的电量也相对较多。本发明包含二十五个压电振子结构，而且同一平面内相邻的悬臂梁的长度不同，就会形成较宽的共振频域，而且如此数量的压电振子结构能够明显增大发电量。
Description
技术领域
本发明涉及一种双稳态球面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
随着微电子和无线网络的快速发展，从环境中捕获能量为低功耗设备供电或为蓄电池供电已成为迫切的需求；传统电池供电具有一系列的弊端，比如寿命短、需要定期更换、污染环境等；无论哪一条弊端都严重影响微电子技术的发展；因此，利用环境振动产生能量为电子设备供电是很有必要的。
悬臂式压电振子具有振幅相对较大，振动频率低等特点，其应用性非常强。中国专利(公开号CN101764531A)公开了一种多工作模态压电发电机，将工作在拉伸和压缩模态和工作在冲击模态的压电元件集成在压电发电机的不同部位。当发电机上下振动时，压电片或因敲击或因拉伸和压缩而产生电能。中国专利(公开号CN102790547A)公开了一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，该发明在一个装置内同时布置了两个对称的双稳态压电悬臂振子，有效的提高了发电量。中国专利(公开号CN102790548A)公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，该发明在一个装置内同时布置了八个双稳态压电悬臂振子，极大的的提高了发电效果。美国专利(公开号WO2010151738A3)公开了一种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，但带宽拓展的程度并不是很大。
发明内容
为了有效地拓宽压电发电装置的有效频域，使其带宽增大、共振频率降低、电压增大，本发明提供了一种双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置，通过在极小的空间内引入二十五个压电振子，可有效增大发电效果，减小发电装置的体积，使之更复合微机电的发展。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置，该装置包括梁架10、壳体14；所述壳体14为圆球形，底部切有圆形开口；梁架10和壳体14各自固定在基座上。
梁架10包括固定球11、压电悬臂梁12、支撑杆13；固定球11与压电悬臂梁12固定连接；支撑杆13支撑固定球11，支撑杆13与固定球11固定连接；梁架10是本发明的核心结构，梁架10的振动会引起压电悬臂梁12的变形，压电悬臂梁12发生形变时会因压电效应产生电能；压电悬臂梁12的数量为二十五个，共分四层，第一层是一个，第二、第三、第四层各均布八个，所述各层间压电悬臂梁12间呈均匀、环形分布；支撑杆13为梁架10的支撑结构，支撑杆13设置在与第一层的压电悬臂梁12相对称的固定球11上，支撑杆13通过壳体14底部的圆形开口固定连接在固定球11上。
压电悬臂梁12、永久磁铁组成双稳态压电悬臂振子结构；压电悬臂梁12包括第一保护层1、引线2、第一压电层3、基层4、第二保护层7、第二压电层8、电极9；其中，层间连接关系依次为第一保护层1、第一压电层3、基层4、第二保护层7、第二压电层8，各层之间为胶粘贴合；所述电极9设有引线2，引线2从电极9引出，压电悬臂梁12变形产生的电荷会聚集在电极9上，引线2引出电极9中的电荷形成电流。
永久磁铁包括第一永久磁铁5、第二永久磁铁6，所述第一永久磁铁5和第二永久磁铁6为矩形磁铁且相互排斥放置；所述压电悬臂梁12一端固定有第一永久磁铁5，在同侧的壳体14内壁上且与所述第一永久磁铁5同一水平位置处固定有第二永久磁铁6，所述第一永久磁铁5和第二永久磁铁6的质量相同，且按照磁极相对放置；
所述压电悬臂梁12是对称结构，第一保护层1、第二保护层7的长度相等、宽度相等，第一压电层3、第二压电层8的长度相等、宽度相等；所述第一压电层3、基层4的长度相同、宽度相同，目的是便于贴合，并且获得较大的压电面积；所述第一保护层1的长度和宽度均大于第一压电层3，目的是使保护层能够包裹压电层和基层4，形成封闭结构；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；所述第一、三层的九个压电悬臂梁12的宽度相等、长度相等；所述第二、四层的十六个压电悬臂梁12的宽度相等、长度相等；所述第一、二层的压电悬臂梁12的宽度不同、长度不同，目的是为了振动时获得较大的频宽。
所述同一平面上的八个双稳态压电悬臂振子串联连接，不同平面上的双稳态压电悬臂振子并联连接。
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***的非线性行为更为明显，具有较低的谐振频率和更大的振幅，所以产生的电量也相对较多。
2、本发明包含二十五个压电振子结构，而且同一平面内相邻的悬臂梁的长度不同，就会形成较宽的共振频域，而且如此数量的压电振子结构能够明显增大发电量。
3、将二十五个压电振子结构固定在同一个球面上，可以有效的降低压电发电装置的体积，更适合微机电产品的发展需求。
附图说明
图1是本发明中双稳态压电悬臂振子结构的主视图；
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是本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置的仰视图；
图4是本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置的主视图；
图5是本发明中梁架结构的立体结构示意图；
图6是本发明中壳体结构的立体结构示意图；
图7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；
图中：1、第一保护层，2、引线，3、第一压电层，4、基层，5、第一永久磁铁，6、第二永久磁块，7、第二保护层，8、第二压电层，9、电极，10、梁架，11、固定球，12、压电悬臂梁，13、支撑杆，14、壳体。
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1-7所示，双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置，该装置包括梁架10、壳体14；所述壳体14为圆球形，底部切有圆形开口；梁架10和壳体14各自固定在基座上。
梁架10包括固定球11、压电悬臂梁12、支撑杆13；固定球11与压电悬臂梁12固定连接；支撑杆13支撑固定球11，支撑杆13与固定球11固定连接；梁架10是本发明的核心结构，梁架10的振动会引起压电悬臂梁12的变形，压电悬臂梁12发生形变时会因压电效应产生电能；压电悬臂梁12的数量为二十五个，共分四层，第一层是一个，第二、第三、第四层各均布八个，所述各层间的压电悬臂梁12呈均匀、环形分布；支撑杆13为梁架10的支撑结构，支撑杆13设置在与第一层的压电悬臂梁12相对称的固定球11上，支撑杆13通过壳体14底部的圆形开口固定连接在固定球11上。
压电悬臂梁12、永久磁铁组成双稳态压电悬臂振子结构；压电悬臂梁12包括第一保护层1、引线2、第一压电层3、基层4、第二保护层7、第二压电层8、电极9；其中，层间连接关系依次为第一保护层1、第一压电层3、基层4、第二保护层7、第二压电层8，各层之间为胶粘贴合；所述电极9设有引线2，引线2从电极9引出，压电悬臂梁12变形产生的电荷会聚集在电极9上，引线2引出电极9中的电荷形成电流。
永久磁铁包括第一永久磁铁5、第二永久磁铁6，所述第一永久磁铁5和第二永久磁铁6为矩形磁铁且相互排斥放置；所述压电悬臂梁12一端固定有第一永久磁铁5，在同侧的壳体14内壁上且与所述第一永久磁铁5同一水平位置处固定有第二永久磁铁6，所述第一永久磁铁5和第二永久磁铁6的质量相同，且按照磁极相对放置。
所述压电悬臂梁12是对称结构，第一保护层1、第二保护层7的长度相等、宽度相等，第一压电层3、第二压电层8的长度相等、宽度相等；所述第一压电层3、基层4的长度相同、宽度相同，目的是便于贴合，并且获得较大的压电面积；所述第一保护层1的长度和宽度均大于第一压电层3，目的是使保护层能够包裹压电层和基层4，形成封闭结构；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；所述第一、三层的九个压电悬臂梁12的宽度相等、长度相等；所述第二、四层的十六个压电悬臂梁12的宽度相等、长度相等；所述第一、二层的压电悬臂梁12的宽度不同、长度不同，目的是为了振动时获得较大的频宽。
所述同一平面上的八个双稳态压电悬臂振子串联连接，不同平面上的双稳态压电悬臂振子并联连接。
所述电极9为丝印银浆或铜网铺设。
所述第一保护层1和第二保护层7的材料为聚酯；所述第一压电层3和第二压电层8中压电材料选用PZT和PVDF中的一种；所述基层4的材料为黄铜、紫铜、钢、铝和铝合金中的一种；所述压电悬臂梁12的尺寸以及第一永久磁铁5和第二永久磁铁6的大小及其之间的距离，可随实际情况进行调整。
当压电发电装置振动时，梁架10及固定在梁架上的结构以及壳体14均产生振动，压电悬臂梁12会产生相对较大的振幅，压电悬臂梁12运动产生变形会使得其中的压电层也产生变形，压电层变形时产生极化现象，正负电荷分离，分别附着在压电层的两个面上，由引线2引出形成电流。
综上所述，本发明双稳态球面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。
本发明的双稳态球面复合悬臂梁结构可用于微机电产品，如无线传感器节点、飞行器及卫星元器件等，也可用于运动发电，如运动鞋底部装有压电发电装置或公路铺设压电发电装置等。
Claims (1)
1.双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置，其特征在于：该装置包括梁架(10)、壳体(14)；所述壳体(14)为圆球形，底部切有圆形开口；梁架(10)和壳体(14)各自固定在基座上；
梁架(10)包括固定球(11)、压电悬臂梁(12)、支撑杆(13)；固定球(11)与压电悬臂梁(12)固定连接；支撑杆(13)支撑固定球(11)，支撑杆(13)与固定球(11)固定连接；压电悬臂梁(12)的数量为二十五个，共分四层，第一层是一个，第二、第三、第四层各均布八个，各层间压电悬臂梁(12)间呈均匀、环形分布；支撑杆(13)为梁架(10)的支撑结构，支撑杆(13)设置在与第一层的压电悬臂梁(12)相对称的固定球(11)上，支撑杆(13)通过壳体(14)底部的圆形开口固定连接在固定球(11)上；
压电悬臂梁(12)、永久磁铁组成双稳态压电悬臂振子结构；压电悬臂梁(12)包括第一保护层(1)、引线(2)、第一压电层(3)、基层(4)、第二保护层(7)、第二压电层(8)、电极(9)；其中，层间连接关系依次为第一保护层(1)、第一压电层(3)、基层(4)、第二压电层(8)、第二保护层(7)，各层之间为胶粘贴合；所述电极(9)设有引线(2)，引线(2)从电极(9)引出，压电悬臂梁(12)变形产生的电荷会聚集在电极(9)上，引线(2)引出电极(9)中的电荷形成电流；
永久磁铁包括第一永久磁铁(5)、第二永久磁铁(6)，所述第一永久磁铁(5)和第二永久磁铁(6)为矩形磁铁且相互排斥放置；所述压电悬臂梁(12)一端固定有第一永久磁铁(5)，在同侧的壳体(14)内壁上且与所述第一永久磁铁(5)同一水平位置处固定有第二永久磁铁(6)，所述第一永久磁铁(5)和第二永久磁铁(6)的质量相同，且按照磁极相对放置；
所述压电悬臂梁(12)是对称结构，第一保护层(1)、第二保护层(7)的长度相等、宽度相等，第一压电层(3)、第二压电层(8)的长度相等、宽度相等；所述第一压电层(3)、基层(4)的长度相同、宽度相同，目的是便于贴合，并且获得较大的压电面积；所述第一保护层(1)的长度和宽度均大于第一压电层(3)；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；所述第一层和第三层的九个压电悬臂梁(12)的宽度相等、长度相等；所述第二层和第四层的十六个压电悬臂梁(12)的宽度相等、长度相等；所述第一、二层的压电悬臂梁(12)的宽度不同、长度不同；
同一平面上的八个双稳态压电悬臂振子串联连接，不同平面上的双稳态压电悬臂振子并联连接；所述电极(9)为丝印银浆或铜网铺设；所述第一保护层(1)和第二保护层(7)的材料为聚酯；所述第一压电层(3)和第二压电层(8)中压电材料选用PZT和PVDF中的一种；所述基层(4)的材料为黄铜、紫铜、钢、铝和铝合金中的一种；所述压电悬臂梁(12)的尺寸以及第一永久磁铁(5)和第二永久磁铁(6)的大小及第一永久磁铁(5)和第二永久磁铁(6)之间的距离随实际情况进行调整；
当压电发电装置振动时，梁架(10)及固定在梁架上的结构以及壳体(14)均产生振动，压电悬臂梁(12)会产生大的振幅，压电悬臂梁(12)运动产生变形会使得其中的压电层也产生变形，压电层变形时产生极化现象，正负电荷分离，分别附着在压电层的两个面上，由引线(2)引出形成电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171121 |