專利名稱：縱振橫擺式低頻大振幅壓電懸臂梁發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及縱振、橫擺式壓電懸臂梁發(fā)電裝置，用于低頻、大振幅的縱向振動(dòng)能量回收。
背景技術(shù)：
為滿足微功率電子產(chǎn)品及微小型遠(yuǎn)程傳感及埋植監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求、避免大量廢棄電池污染環(huán)境，基于電磁、靜電、熱電、電容及壓電等原理的微小型發(fā)電裝置的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外的前沿?zé)狳c(diǎn)。各類發(fā)電裝置都有其自身的優(yōu)勢和適用領(lǐng)域，壓電式振動(dòng)發(fā)電裝置的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、易于制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化與集成化等，故適用范圍更廣，現(xiàn)已逐步用于傳感器、健康監(jiān)測及無線發(fā)射系統(tǒng)等領(lǐng)域。在利用壓電材料回收環(huán)境能量發(fā)電方面，國內(nèi)外均有較多專利申請，其中絕大多數(shù)都是以振動(dòng)能量回收為使用目的的。眾所周知，對于振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，僅當(dāng)壓電振子固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相等時(shí)方能達(dá)到較高的發(fā)電能力和能量轉(zhuǎn)換效率。但因壓電振子自身的諧振頻率通常較高，其中壓電懸臂梁的諧振頻率達(dá)幾百赫茲、圓形壓電振子的諧振頻率高達(dá)幾千赫茲，而環(huán)境振動(dòng)頻率一般為十幾赫茲、甚至僅有幾赫茲，因此直接利用壓電振子收集環(huán)境振動(dòng)能量的效果并不顯著。為降低壓電振子的固有頻率，目前采用的方法是在懸臂梁壓電振子端部或圓形壓電振子中心處安裝集中質(zhì)量塊，其弊端是當(dāng)所安裝的質(zhì)量塊較大時(shí)，即使在非工作狀態(tài)時(shí)壓電振子就已產(chǎn)生較大變形，工作中極易因變形過大而損毀。 其原因在于壓電陶瓷材料質(zhì)地很脆、可承受的形變能力極其有限，即使是較長的懸臂梁壓電振子其安全變形量也僅為毫米級。在現(xiàn)實(shí)生活中，常規(guī)的環(huán)境振動(dòng)主要是由各類交通工具運(yùn)行、人體運(yùn)動(dòng)而誘發(fā)的，此類振動(dòng)兼具低頻和大振幅的雙重特性，其中汽車、自行車等交通工具的縱向振動(dòng)幅值有時(shí)可達(dá)幾厘米、甚至十幾厘米。可見，現(xiàn)有的便攜式振動(dòng)發(fā)電裝置難以在實(shí)際中獲得更廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種縱振橫擺式低頻大振幅壓電懸臂梁發(fā)電裝置，以解決現(xiàn)有壓電振動(dòng)發(fā)電裝置僅能用于振幅較小、頻率較高環(huán)境下的振動(dòng)能量回收的問題，用于各類交通工具顛簸及人體運(yùn)動(dòng)等常規(guī)環(huán)境下的低頻、大振幅振動(dòng)能量回收。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是殼體通過螺釘與底座固定連接，所述殼體的內(nèi)壁上均勻粘接有第一組磁鐵和第二組磁鐵，第一組磁鐵和第二組磁鐵不在同一高度上，所述底座上通過螺釘安裝有銷軸，銷軸的另一端與殼體的頂部壓接，在所述銷軸上自上而下依次套接有第一個(gè)彈簧、慣性塊和第二個(gè)彈簧，所述慣性塊的兩端各設(shè)一個(gè)安裝卡簧的環(huán)形槽，慣性塊上還設(shè)有用于安裝壓電振子的直槽；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成， 所述金屬基板的一端粘接有磁鐵、另一端插入慣性塊的直槽內(nèi)并通過卡簧固定；安裝在殼體上的第一組磁鐵及第二組磁鐵與安裝于壓電振子上的磁鐵的同性磁極靠近安裝。在自然狀態(tài)下，慣性塊在第一個(gè)彈簧和第二個(gè)彈簧的作用下處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)，壓電振子以及安裝于壓電振子端部的磁鐵也處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)殼體環(huán)境中縱向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，慣性塊沿銷軸上下振動(dòng)，致使壓電振子端部的磁鐵與安裝在殼體上的磁鐵第一組和第二組磁鐵之間的距離發(fā)生變化，當(dāng)壓電振子上的磁鐵和殼體上的第一組磁鐵及第二組磁鐵依次接近時(shí)，同性磁極間將產(chǎn)生排斥力，從而使壓電振子產(chǎn)生交替的橫向彎曲變形,并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)勢在于①懸臂梁壓電振子的彎曲振動(dòng)方向與環(huán)境縱向振動(dòng)方向垂直，壓電振子的變形量僅受磁場力大小的影響，不致因環(huán)境縱向振幅過大而損毀，可靠性高;②慣性塊自身的重力作用在彈簧上，其質(zhì)量的大小對壓電振子的振動(dòng)特性無直接影響，可采用較大質(zhì)量慣性塊和低剛度彈簧降低發(fā)電裝置的固有頻率、實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)能量回收；


圖I (a)是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電裝置靜止?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)剖示圖I (b)是圖I (a)的A-A首丨J不圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電裝置各磁鐵磁極配置關(guān)系示意圖3(a)是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中慣性塊的結(jié)構(gòu)剖示圖3(b)是圖3(a)的俯視圖4是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電振子金屬基板的結(jié)構(gòu)示意圖5(a)是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中慣性塊向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)剖示圖5(b)是圖5(a)的剖面圖6(a)是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中慣性塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)剖示圖6(b)是圖6(a)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2、圖3和圖4所示，殼體2通過螺釘連接安裝在底座I上，所述殼體2 的內(nèi)壁上均勻粘接有第一組磁鐵3和第二組磁鐵4，第一組磁鐵3和第二組磁鐵4不在同一高度上；所述底座I上通過螺釘安裝有銷軸5，銷軸5的另一端與殼體2的頂部壓接；在所述銷軸5上自上而下依次套接有第一個(gè)彈簧6、慣性塊7和第二個(gè)彈簧8 ;所述慣性塊7的兩端各設(shè)一個(gè)環(huán)形槽701，慣性塊7上還設(shè)有用于安裝壓電振子9的直槽702 ;所述壓電振子9由金屬基板901和壓電晶片902粘接而成，所述金屬基板901的一端粘接有磁鐵11、另一端插入慣性塊7的直槽702內(nèi)，并通過卡簧10固定；安裝在殼體2上的第一組磁鐵3、第二組磁鐵4與安裝于壓電振子10上的磁鐵11的同性磁極靠近安裝，即將磁鐵11的N極與第一組磁鐵3的N極、磁鐵11的S與第二組磁鐵4的S極靠近安裝。在自然狀態(tài)下，慣性塊7在第一個(gè)彈簧6和第二個(gè)彈簧8的作用下處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)，壓電振子9以及安裝于壓電振子9端部的磁鐵11也處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)殼體環(huán)境中縱向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，慣性塊7沿銷軸5上下往復(fù)振動(dòng)，致使壓電振子9端部的磁鐵11與安裝在殼體上的第一組磁鐵3和第二組磁鐵4之間的距離發(fā)生變化，當(dāng)壓電振子上的磁鐵11和殼體上的第一組磁鐵3及第二組磁鐵4依次接近時(shí)，同性磁極間將產(chǎn)生排斥力，從而使壓電振子9產(chǎn)生交替的橫向彎曲變形,并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
如圖5 (a)、圖5 (b)所示，當(dāng)殼體I從原始位置向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性塊7因受其自身慣性力的作用響應(yīng)滯后，從而使第一個(gè)彈簧6被壓縮、第二個(gè)彈簧8伸長，磁鐵11與第二組磁鐵4之間的距離逐漸縮短，其間的磁場排斥力逐漸增加，逐漸增加的磁場力迫使壓電振子9 向遠(yuǎn)離第二組磁鐵4的方向彎曲變形。如圖6(a)、圖6(b)所示，當(dāng)殼體I的振動(dòng)方向改變后，即向上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性塊7的慣性力第二個(gè)使彈簧8被壓縮、第一個(gè)彈簧6伸長，磁鐵11 逐漸遠(yuǎn)離第二組磁鐵4、靠近第一組磁鐵3，從而使磁鐵11與第二組磁鐵4之間的場排斥力逐漸減小、與第一組磁鐵3之間的排斥力增加；壓電振子9在自身彈性力以及第一組磁鐵3 排斥力的作用下向遠(yuǎn)離第一組磁鐵3的方向彎曲變形。隨著殼體2的上下往復(fù)縱向振動(dòng)， 壓電振子9在水平面內(nèi)作往復(fù)的橫向擺動(dòng)，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
權(quán)利要求
1.一種縱振-橫擺式低頻大振幅壓電懸臂梁發(fā)電裝置，其特征在于殼體通過螺釘與底座固定連接，所述殼體的內(nèi)壁上均勻粘接有第一組磁鐵和第二組磁鐵，第一組磁鐵和第二組磁鐵不在同一高度上，所述底座上通過螺釘安裝有銷軸，銷軸的另一端與殼體的頂部壓接，在所述銷軸上自上而下依次套接有第一個(gè)彈簧、慣性塊和第二個(gè)彈簧，所述慣性塊的兩端各設(shè)一個(gè)安裝卡簧的環(huán)形槽，慣性塊上還設(shè)有用于安裝壓電振子的直槽；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，所述金屬基板的一端粘接有磁鐵、另一端插入慣性塊的直槽內(nèi)并通過卡簧固定；安裝在殼體上的第一組磁鐵及第二組磁鐵與安裝于壓電振子上的磁鐵的同性磁極靠近安裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種縱振橫擺式低頻大振幅壓電懸臂梁發(fā)電裝置，屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。殼體通過螺釘安裝在底座上，所述殼體的內(nèi)壁上均勻粘接有第一組磁鐵和第二組磁鐵；銷軸上自上而下依次套接有第一個(gè)彈簧、慣性塊和第二個(gè)彈簧，所述壓電振子一端粘接有磁鐵、另一端插入慣性塊的直槽內(nèi)，安裝在殼體上的第一組磁鐵及第二組磁鐵與安裝于壓電振上的磁鐵的同性磁極靠近安裝。優(yōu)勢在于利用環(huán)境縱向振動(dòng)使懸臂梁壓電振子作水平面內(nèi)的橫向擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)低頻及大振幅的振動(dòng)能量回收，可靠性高。
文檔編號H02N2/18GK102594203SQ201210085720
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者孫明禮, 曾平, 王淑云, 程光明, 闞君武 申請人:浙江師范大學(xué)