專利名稱：分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，屬于微型電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
CMOS電路尺寸的減小和功耗的降低，尤其是超低功耗電子學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了無線傳感器、可植入式電子系統(tǒng)、可穿戴式電子系統(tǒng)、便攜式電子系統(tǒng)等的發(fā)展。這些系統(tǒng)有些是分布式的，但是這些微電子產(chǎn)品苛刻的工作條件使得傳統(tǒng)的電池和有線電源等供電方式難以滿足其對電源的特殊需要，在某些情況下很難甚至無法更換電池，比如內(nèi)嵌入到混泥土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的無線傳感器節(jié)點(diǎn)比如具有成千上萬個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)。有些是是便攜式的，需要自帶電源。有些是移動(dòng)式的，在某些條件下更換電池需要大量的人力、財(cái)力和物力，比如植入到野生動(dòng)物身體內(nèi)的全球定位系統(tǒng)跟蹤設(shè)備。這就迫切需要這些系統(tǒng)自身能夠產(chǎn)生電能給自己供電。得益于低功率超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功耗已經(jīng)降到數(shù)十毫瓦到數(shù)百毫瓦。這就使得回收環(huán)境中的振動(dòng)能量以替代電池或給電池充電而驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)成為可能，這種方式將延長電池的供電時(shí)間，在理想的情況下甚至可以提供不盡的電能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，以及降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本?；谶@些因素，在過去的幾年里，振動(dòng)發(fā)電方面的研究受到了極大的關(guān)注?，F(xiàn)有技術(shù)中，微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)采用d31型壓電懸臂梁作為能量收集元件。此類發(fā)電機(jī)利用懸臂梁的共振模態(tài)回收外界能量，其帶寬較窄，能量利用率不高。現(xiàn)有技術(shù)中，若需要增加峰的數(shù)目需要將懸臂梁發(fā)電機(jī)陣列式排列，由此會需要多個(gè)儲能元件(壓電陶瓷)，造成電能管理上的困難。因此，確有必要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，該發(fā)電機(jī)通過把分叉集成在同一懸臂梁的不同部位，以改善發(fā)電機(jī)的頻域響應(yīng)特性，且只使用一片壓電元件，易于
電能管理。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其包括有懸臂梁及設(shè)置于所述懸臂梁根部的壓電元件，所述分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)還包括有設(shè)置在所述懸臂梁上的分叉及設(shè)置于所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數(shù)量至少為一個(gè)。所述分叉設(shè)置于所述懸臂梁的單側(cè)。所述分叉設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。所述分叉的材料，形狀，長度相同或不同。所述分叉對稱設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。

所述分叉非對稱設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法，其包括有如下步驟:將懸臂梁無配重一端固定在外界激勵(lì)上，外界激勵(lì)下振動(dòng)發(fā)電機(jī)上下振動(dòng)，壓電元件出現(xiàn)伸縮形變，利用壓電效應(yīng)，在壓電元件中產(chǎn)生了交流電壓；利用不同分叉所具有的不同共振頻率，充分回收具有多種頻率分量的環(huán)境振動(dòng)能量。所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，通過把一個(gè)壓電元件，多個(gè)分叉及懸臂梁集成在一起，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)的多個(gè)共振點(diǎn)，改善其頻率響應(yīng)特性。懸臂梁無配重一端固定在外界激勵(lì)上，其兩側(cè)或單側(cè)分布不同長度的分叉。壓電元件粘貼在懸臂梁的根部上。當(dāng)此振動(dòng)發(fā)電機(jī)上下振動(dòng)時(shí)，壓電元件因拉伸和收縮而發(fā)電。使得該振動(dòng)發(fā)電機(jī)充分回收具有多種頻率的環(huán)境振動(dòng)能量，從而改善了發(fā)電機(jī)的頻域響應(yīng)特性。


圖1為分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的反面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所列舉實(shí)施例中開路電壓有效值-頻率分布結(jié)果圖。其中: 1-壓電元件、2-懸臂梁、3-第一分叉、4-第二分叉、5-第三分叉、6-第四分叉、7-第五分叉、8-第六分叉、9-配重。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。請結(jié)合圖1至圖2所示，本發(fā)明分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)包括有懸臂梁2，第一分叉3、第二分叉4、第三分叉5、第四分叉6、第五分叉7、第六分叉8，設(shè)置(粘貼)于懸臂梁2根部的壓電元件I及設(shè)置(粘貼)于前述分叉3、4、5、6、7、8和懸臂梁2的端部的配重9。所述分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的中分叉的數(shù)量至少為一個(gè)，且前述分叉3、4、5、6、7、8可設(shè)置在懸臂梁的單側(cè)或兩側(cè)，且分叉3、4、5、6、7、8可對稱放置或非對稱放置。同時(shí)分叉3、4、5、
6、7、8固定在懸臂梁2上的位置，角度均可調(diào)整。進(jìn)一步的，分叉3、4、5、6、7、8的材料，形狀，長度可相同，可不同。更進(jìn)一步的，粘貼于前述分叉3、4、5、6、7、8和懸臂梁2的端部的各個(gè)配重9的尺寸，形狀，材料可相同，可不同。下面借助于一個(gè)實(shí)施例說明本發(fā)明分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，下述實(shí)施例中，壓電元件I的尺寸為10*5*lmm，壓電元件I左端粘貼于距離懸臂梁2左端23mm處，居中放置，懸臂梁2的尺寸為70*12*0.2mm，第一分叉3的尺寸為71*8*0.2mm，固定于左端距離懸臂梁2左端53mm處，第二分叉4的尺寸為55*8*0.2mm,固定于左端距離懸臂梁2左端42mm處,第三分叉5的尺寸為45*8*0.2mm,固定于左端距離懸臂梁2左端31mm處,第四分叉6的尺寸為90*8*0.2mm,固定于左端距離懸臂梁2左端53mm處，第五分叉7的尺寸為62*8*0.2mm,固定于左端距離懸臂梁2左端42mm處,第六分叉8的尺寸為50*8*0.2mm,固定于左端距離懸臂梁2左端31mm處，材料為銅，分叉3、4、5、6、7、8與懸臂梁2夾角固定為60°，配重9的尺寸為8*6*4mm，固定于懸臂梁2及分叉3、4、5、6、7、8端部，材料為鋼。懸臂梁2無配重一端固定在外界激勵(lì)上。固定振幅為0.4mm，采用正弦激勵(lì)。壓電元件I作為能量收集元件，在外界激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，壓電片出現(xiàn)形變，由于壓電效應(yīng)，在壓電元件中產(chǎn)生了交流電壓。試驗(yàn)中開路電壓有效值-頻率分布結(jié)果如圖3所示。通過上述實(shí)施例，可以發(fā)現(xiàn)，由于分叉式懸臂梁發(fā)電機(jī)具有多個(gè)彎曲振動(dòng)模態(tài)，所以可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)懸臂梁發(fā)電機(jī)發(fā)電功率-激勵(lì)頻率曲線上只有單個(gè)峰值的不足，隨著分叉數(shù)量的增加，發(fā)電機(jī)發(fā)電功率-激勵(lì)頻率曲線上的數(shù)量隨之增加。以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照 本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其包括有懸臂梁及設(shè)置于所述懸臂梁根部的壓電元件，其特征在于:所述分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)還包括有設(shè)置在所述懸臂梁上的分叉及設(shè)置于所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數(shù)量至少為一個(gè)。
2.如權(quán)利要求1所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述分叉設(shè)置于所述懸臂梁的單側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述分叉設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述分叉的材料，形狀，長度相同或不同。
5.如權(quán)利要求3所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述分叉非對稱設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。
6.如權(quán)利要求3所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述分叉對稱設(shè)置于所述懸臂梁的兩側(cè)。
7.如權(quán)利要求1所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
8.—種如權(quán)利要求1所述的分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法，其特征在于:將懸臂梁無配重一端固定在外界激勵(lì)上，外界激勵(lì)下振動(dòng)發(fā)電機(jī)上下振動(dòng)，壓電元件出現(xiàn)伸縮形變，利用壓電效應(yīng)，在壓電元件中產(chǎn)生了交流電壓；利用不同分叉所具有的不同共振頻率，充分回收具有多種頻率分量的環(huán)境振動(dòng)能量。
9.如權(quán)利要求8所述的 分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法，其特征在于:所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
全文摘要
一種分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，其包括有懸臂梁及設(shè)置于所述懸臂梁根部的工作在拉伸壓縮模態(tài)的壓電元件,所述分叉式懸臂梁振動(dòng)發(fā)電機(jī)還包括有設(shè)置在所述懸臂梁上的分叉及設(shè)置于所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數(shù)量至少為一個(gè)，該發(fā)電機(jī)通過把分叉集成在同一懸臂梁的不同部位，以提高發(fā)電機(jī)的頻域響應(yīng)特性，且只使用一片壓電元件，易于電能管理。
文檔編號H02N2/18GK103227586SQ20131012574
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者胡俊輝, 張廣成 申請人:南京航空航天大學(xué)