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多稳态的压电俘能器专利

专利号:201810865165.3

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专利名称:基于多稳态的压电俘能器

技术领域:压电俘能器

IPC主分类号:H02N2/18

申请号:CN201810865165.3

公开日:2019-09-20

说明书

一种基于多稳态的压电俘能器

技术领域

[0001] 本发明涉及节能技术及再生环保新能源技术领域,具体涉及一种基于多稳态的压电俘能器,可有效收集周围环境的随机振动机械能进行发电。

背景技术

[0002] 目前,大多数的低功率器件(如无线传感器和发射器,医疗植入传感器,便携式电子设备)都依赖电化学电池供电。但是,电化学电池具有寿命短、成本高及处理废旧电池带来的环境污染等问题,所以研究人员正积极寻找一种新的能源以代替电化学电池为低功率器件供电。
[0003] 另外,微电子技术的不断发展大大降低了低功率器件的能耗,因而,从周围环境中收集能量以驱动低功率器件变得更加可行。从周围环境中可收集的能量主要包括太阳能、热能和机械能。其中,机械能,尤其是振动能在周围环境中分布广泛。在机械能向电能转换的多种途径中,压电俘能器具有结构简单、阻抗小、输出电流大等优点而备受关注。
[0004] 但是现有压电振动发电装置存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提出了一种基于多稳态的压电俘能器,能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动,提高能量回收效率。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于多稳态的压电俘能器,其特征是,包括主压电梁、弯曲压电梁和弹簧,主压电梁位于弯曲压电梁的弯曲侧且主压电梁的一端指向弯曲压电梁的弯曲部,在主压电梁的上下表面对称黏贴有第一压电片,主压电梁上指向弯曲压电梁弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁,其另一端搭接在弹簧的顶端以随弹簧振动,两个第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置,弯曲压电梁的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片,弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁,相应的,两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片,位于主压电梁某一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为同极相斥状态布置,而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置。
[0007] 优选的,弹簧谐振频率与主压电梁谐振频率成倍数关系。
[0008] 优选的,弹簧的谐振频率与环境激励频率成倍数关系。
[0009] 优选的,弯曲压电梁弯曲程度小于180°。
[0010] 优选的,位于主压电梁上表面的第一压电片与下表面的第一压电片之间采用串联或并联结构。
[0011] 优选的,第二压电片与第三压电片之间采用串联或并联结构。
[0012] 优选的,第一压电片、第二压电片和第三压电片材料为PZT系列。
[0013] 优选的,弯曲压电梁和主压电梁材料为弹性材料。
[0014] 与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
[0015] 1)采用弹簧一方面可以对基础低幅值激励进行一级放大,从而满足主压电梁的谐振频率,提高能量采集器的输出性能;另一方面设计弹簧、主压电梁尺寸以满足弹簧频率与主压电梁频率、弹簧的谐振频率与环境频率成倍数关系,使得弹簧与主压电梁形成共振、弹簧对环境成倍数放大。
[0016] 2)采用弯曲压电梁与第二振动磁铁组合,一方面可以与第一振动磁铁配合形成多稳态形式,以提高振动幅度从而提高发电效率;另一方面弯曲压电梁的加入不仅不会影响主压电梁的发电效果,还能在原有基础上增加发电途径,增加发电量。
[0017] 3)采用第二振动磁铁与第一振动磁铁之间上半部分相斥、下半部分相吸的结构,确保主压电梁和弯曲压电梁振动幅度的最大化;同时形成多稳态结构,提高发电效率。
[0018] 4)弯曲压电梁弯曲程度小于180°,与第二压电片之间的黏合方法为内侧完整紧贴、外侧以凸起中点为中心分上下两部分黏贴第三压电片,保证压电片初始弯曲幅度的最小化,增加压电片的使用寿命。。

附图说明

[0019] 图1是本发明压电俘能器的结构示意图;
[0020] 图2是本发明压电俘能器的主压电梁结构示意图;
[0021] 图3是本发明压电俘能器的弯曲压电梁与第二振动磁铁的结构示意图;
[0022] 图4是本发明压电俘能器的弯曲压电梁的结构示意图;
[0023] 图5是本发明压电俘能器的低频段振动产生电压与现有技术中基础压电悬臂梁振动、传统多稳态压电悬臂梁产生电压比较波形图;
[0024] 图6是本发明压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间不同距离对电压影响仿真图;
[0025] 图7是本发明压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间三种典型距离对电压影响仿真图;
[0026] 图8是本发明压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间最优距离仿真图。
[0027] 附图标记:1、主压电梁; 2、弯曲压电梁;3、第一压电片;4、弹簧;5、第一振动磁铁;6、第二振动磁铁;7、第二压电片;8、第三压电片。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0029] 在本发明专利的描述中,需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,除了包含所列的那些要素,而且还可包含没有明确列出的其他要素。
[0030] 在本发明专利的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明专利和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明专利的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031] 在本发明专利的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。
[0032] 本发明的一种基于多稳态的压电俘能器,参见图1至图4所示,包括主压电梁1、弯曲压电梁2和弹簧4,主压电梁1位于弯曲压电梁2的弯曲侧且主压电梁1的一端指向弯曲压电梁2的弯曲部,在主压电梁1的上下表面对称黏贴有第一压电片3,主压电梁1上指向弯曲压电梁2弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁5,其另一端搭接在弹簧4的顶端以随弹簧4振动,两个第一振动5磁铁以相对面为异极相吸状态布置,弯曲压电梁2的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片7,弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁6,相应的,两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片8,位于主压电梁1某一侧的第二振动磁铁6与第一振动磁铁5以相对面为同极相斥状态布置,而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁6与第一振动磁铁5以相对面为异极相吸状态布置。
实施例
[0033] 本发明压电俘能器的实施例,参见图2所示,主压电梁1水平放置,主压电梁1的左端指向弯曲压电梁2的弯曲部,主压电梁1的右端搭接在弹簧4的顶部,弹簧4用来支撑主压电梁1,并且可使主压电梁1随着弹簧4进行上下振动,主压电梁1的上下两面黏贴有第一压电片3,在主压电梁1的左端上下放置有第一振动磁铁5,且两个第一振动磁铁5为异极相吸状态布置,第一振动磁铁5还可充当质量块,以降低主压电梁1谐振频率。
[0034] 第一压电片3并没有覆盖整个主压电梁1的上下表面,只延伸到放置有第一振动磁铁5的地方,从而确保第一振动磁铁5不会对第一压电片3造成损伤。
[0035] 上表面的第一压电片3和下表面的第一压电片3采用串联或并联结构。
[0036] 串联或并联结构是指:如果此两个压电片按相同极性粘贴,相当两个压电片(电容)串联。输出总电容为单片电容的一半,输出电荷与单片电荷相等,输出电压是单片的两倍;若按不同极性粘贴,相当两个压电片(电容)并联,输出电容为单电容的两倍,极板上电荷量是单片的两倍,但输出电压与单片相等。串联能得到更高的电平输出,并联能得到更低的内阻,并联还是串联取决于后面连接的设备类型,高阻输入的用串联,输入低阻的要用并联。
[0037] 参见图3所示,弯曲压电梁2的弯曲度小于180°,弯曲压电梁2的弯曲内侧面黏贴有第二压电片7,弯曲压电梁2的两个末端弯曲内侧分别黏贴有第二振动磁铁6,弯曲压电梁2外侧部分在距离凸起中心一定距离上下两部分处分别黏贴有第三压电片8,以此保证第三压电片8的初始弯曲幅度小;第二压电片7和第三压电片8之间采用串联或并联结构;第二振动磁铁6固定于弯曲压电梁2末端,位于上端的第二振动磁铁6与位于上端的第一振动磁铁5相斥,位于下端的第二振动磁铁6与位于下端的第一振动磁铁5相吸,这样保证主压电梁1振动幅度的最大化,亦可保证弯曲压电梁2的振动。
[0038] 第二振动磁铁6固定在弯曲压电梁2上下两端,一方面和第一振动磁铁5结合形成多稳态形式,另一方面带动弯曲压电梁2末端的变形,从而影响弯曲压电梁2的振动。
[0039] 参见图4所示,弯曲压电梁2弯曲程度小于180°,与第二压电片7之间的黏合方法为内侧完整紧贴、外侧以凸起中点为中心分上下两部分黏贴第三压电片8,这样可以保证第一、第二压电片初始弯曲幅度的最小化,增加压电片的使用寿命。
[0040] 本发明优选实施例中,第一、第二和第三压电片材料为PZT系列,弯曲压电梁2和主压电梁1材料为弹性材料,例如黄铜或不锈钢,弹簧4材料为不锈钢系列。
[0041] 弹簧4谐振频率与主压电梁1谐振频率成倍数关系,以达到共振效果;同时弹簧4的谐振频率与环境激励频率成倍数关系,可保证对环境频率的放大效果。
[0042] 本发明基于多稳态的压电俘能器的工作过程为:
[0043] 当外界环境中存在振动时,外界振动激励对弹簧4产生上下的冲击力,弹簧4发生形变带动主压电梁1上下运动,致使主压电梁1发生形变从而使第一压电片3产生形变电压;主压电梁1左端的第一振动磁铁5随主压电梁1上下运动,带动位于弯曲压电梁2内侧面的第二振动磁体6的振动,从而带动弯曲压电梁2形变振动,使第二压电片7、第三压电片8产生形变电压。第一压电片、第二压电片和第三压电片产生的电压可以通过压电能量转换器存储并转换成直流电压,以为传感器等器件供电。
[0044] 如图5所示为本发明低频段振动产生电压与现有技术中基础压电悬臂梁振动、传统多稳态压电悬臂梁产生电压比较波形图。其中基础压电悬臂梁振动参见文献压电悬臂梁发电装置的研究[D](王晓宇.北京交通大学, 2009.),传统多稳态压电悬臂梁参见文献Zhou S, Cao J, Inman D J, et al. Broadband tristable energy harvester: Modeling and experiment verification[J]. Applied Energy, 2014, 133(1):33-39.。
本发明实际实验时使用长60mm、宽30mm的主压电梁和弯曲半径为20mm的弯曲压电梁作为实验材料。从图中可以看出,多稳态结构在0-20Hz间振动产生的电压明显高于基础梁振动产生的电压,且频带更宽,环境适应力更强;而本结构由于弯曲梁的加入,产生的电压高于多稳态结构且频带更宽。而在高于20Hz的频段,产生的电压较小,可以忽略不记。实验证明,本结构试验效果良好。
[0045] 如图6、图7、图8所示,第一振动磁铁与第二振动磁铁初始距离对输出电压的影响很大,经试验验证,两者之间最佳的距离为10mm。而当相距距离为8mm和9mm时,相对于其他距离,输出电压也较高;相对于最佳距离10mm,输出电压减小量较少。因此,本结构尺寸设计具有容错性。
[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

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