專利名稱：一種y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型電源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用壓電元件和電磁元件的Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)。
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)等的研究。這些系統(tǒng)是便攜式的或分布式的，因此需要自帶電源。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。如一方面，系統(tǒng)由于無法確切地確定更換電池的時間而造成可能隨時關(guān)機(jī)；另一方面，更普遍的情況是，在某些情況下很難甚至無法更換電池，比如內(nèi)嵌入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、植入到野生動物身體內(nèi)的全球定位系統(tǒng)跟蹤設(shè)備，而在某些工況下更換電池需要大量的人力、財力 和物力，比如具有成千上萬個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)。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)境中的能量以替代電池或給電池充電而驅(qū)動電子系統(tǒng)成為可能，這種方式將延長電池的供電時間，在理想的情況下甚至可以提供無盡的電能?；谶@些因素，在過去的幾年里，振動發(fā)電方面的研究受到了極大的關(guān)注。中國專利申請?zhí)?01110141901. 9提出了一種微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，采用d31型壓電懸臂梁和電磁作為能量收集元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、較高的懸臂梁能量轉(zhuǎn)換密度等特點(diǎn)，然而此發(fā)電機(jī)并未充分利用每一個部位設(shè)置壓電片，在外界環(huán)境一定的條件下，此發(fā)電機(jī)如需提高輸出功率，僅靠增加懸臂梁上的壓電片的數(shù)目，導(dǎo)致體積增大，功率密度實(shí)質(zhì)上并未增加。基于以上分析，本發(fā)明人對現(xiàn)有的復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行深入研究，并經(jīng)多次改進(jìn),本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)把工作在拉伸壓縮模態(tài)的壓電元件和電磁元件集成在同一發(fā)電機(jī)的不同部位，從而提高振動能量的利用率，提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力和輸出功率密度。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，包括2個形狀相同的框架、I個懸臂梁、2個永磁鐵、2個線圈和至少I個壓電片，其中，各框架均由從左到右的三段一體制成左水平部、斜面部和右水平部，且左水平部與斜面部連接處外表面的夾角為鈍角；懸臂梁固定端的上表面與一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸，而所述固定端的下表面與另一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸，且固定端、上、下框架緊密固定；2個永磁鐵分別粘貼在懸臂梁自由端的上、下表面，并分別與上、下框架的右水平部相對應(yīng)；2個線圈分別設(shè)于上、下框架右水平部的外表面，并分別與上、下永磁鐵相對應(yīng)；所述壓電片粘貼在上、下框架斜面部的外表面。上述發(fā)電機(jī)還包括至少一個壓電膜，所述壓電膜設(shè)于上、下框架斜面部的內(nèi)表面，且所述壓電膜上粘接有導(dǎo)電膜，引線焊接在導(dǎo)電膜上。上述永磁鐵包括繞線棒和線圈，繞線棒粘接在框架上，且線圈纏繞在繞線棒上。上述框架的左水平部與斜面部連接處外表面的夾角為120度到165度之間。采用上述方案后，本發(fā)明富有創(chuàng)新性地提出壓電與電磁復(fù)合的振動發(fā)電機(jī)，這種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)電機(jī)可以利用其所有被設(shè)置的壓電和電磁元件進(jìn)行發(fā)電，在有限的體積內(nèi)提高了輸出功率，從而提高了輸出功率密度。


圖I是本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I所示，是本發(fā)明提供一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的一種具體實(shí)施結(jié)構(gòu)，包括兩個結(jié)構(gòu)、形態(tài)相同的框架I、懸臂梁2、兩個永磁鐵3、兩個線圈4、5、6個壓電片6、7、8、9、10、11和2個螺桿12，下面分別介紹。框架I由鋁材料一體制成，形狀上從左向右分為三段左水平部、斜面部和右水平部，其中，左水平部13長8. 5mm,寬5mm,厚Imm ;斜面部的左端與左水平部的右端相連,且在連接處斜面部與左水平部外表面的夾角為鈍角，優(yōu)選是在120度到165度之間，在本實(shí)施例中，將夾角設(shè)計為158度；所述斜面部的長為13. 5mm,寬為5mm,厚Imm ;右水平部的左端與斜面部的右端相連，且所述右水平部長6mm,寬5mm,厚1mm。懸臂梁2是由磷青銅制成的金屬薄片，為長方形形狀，其一端為固定端，另一端為自由端，所述固定端的上表面與一個框架I左水平部的內(nèi)表面接觸，而固定端的下表面與另一個框架I左水平部的內(nèi)表面接觸，并使用2個螺桿12將上、下框架I和懸臂梁2固定在一起，使得懸臂梁2自由端尺寸為19. Imm (長)X 5mm (寬)X0. Imm (厚)，此時2個框架I構(gòu)成Y型，且上、下框架I之間的距離為10. 1mm。永磁鐵3由NdFeB制成,為圓柱形,直徑為6mm,厚Imm, 2個永磁鐵3分別粘貼于懸臂梁2自由端的上、下表面，并分別與上、下框架I的右水平部相對應(yīng)。2個線圈4、5均是由繞線棒纏繞線圈而形成,所述繞線棒的高為3_，纏繞線圈的匝數(shù)為1000，所述2個線圈4、5分別設(shè)于上、下框架I的右水平部的外表面，并與永磁鐵3相對應(yīng)。上、下框架I的斜面部的外表面分別粘貼有數(shù)個壓電片，在本實(shí)施例中，在上、下框架I的外表面分別粘貼3個由PZT壓電陶瓷制成的壓電片，如圖I所示，各壓電片均為長方形，尺寸為5_ (長)X4mm(寬)X Imm (厚)。工作時，將2個線圈4、5和6個壓電片6、7、8、9、10、11分別連接到各自的最優(yōu)電
阻上，當(dāng)發(fā)電機(jī)受到外部振動激勵時，懸臂梁2作為能量收集元件和拾振元件開始振動，懸臂梁2自由端的永磁鐵3撞擊上、下框架I的端部，使得6個壓電片受到拉伸和壓縮而產(chǎn)生形變，由于壓電效應(yīng)，在所有的壓電片中產(chǎn)生了交流電壓，實(shí)現(xiàn)發(fā)電洞時，由于永磁鐵3相對線圈4、5在振動，引起線圈周圍所包圍的磁通量隨時間發(fā)生變化，從而在線圈內(nèi)感應(yīng)出電動勢；同時，懸臂梁2的共振頻率和所述Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的振動頻率一致。圖2所示是本發(fā)明的第二種具體實(shí)施結(jié)構(gòu)，其與圖I所示結(jié)構(gòu)的不同在于在上、下框架I斜面部的內(nèi)表面還分別設(shè)置有壓電膜14、15，所述壓電膜由PVDF制成，具體實(shí)施時可在該壓電膜上粘接導(dǎo)電膜，而引線焊接在導(dǎo)電膜上被引出，以避免對壓電膜電極的破壞。當(dāng)發(fā)電機(jī)受到外部振動激勵時，懸臂梁2自由端的永磁鐵3撞擊上、下框架I的端部，在帶動6個壓電片形變的同時，也會引起壓電膜14、15的形變，從而使得壓電膜14、15也會發(fā)電。
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，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，其特征在于包括2個形狀相同的框架、I個懸臂梁、2個永磁鐵、2個線圈和至少I個壓電片，其中，各框架均由從左到右的三段一體制成左水平部、斜面部和右水平部，且左水平部與斜面部連接處外表面的夾角為鈍角；懸臂梁固定端的上表面與一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸，而所述固定端的下表面與另一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸，且固定端、上、下框架緊密固定；2個永磁鐵分別粘貼在懸臂梁自由端的上、下表面，并分別與上、下框架的右水平部相對應(yīng)；2個線圈分別設(shè)于上、下框架右水平部的外表面，并分別與上、下永磁鐵相對應(yīng)；所述壓電片粘貼在上、下框架斜面部的外表面。
2.如權(quán)利要求I所述的一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，其特征在于所述發(fā)電機(jī)還包括至少一個壓電膜，所述壓電膜設(shè)于上、下框架斜面部的內(nèi)表面，且所述壓電膜上粘接有導(dǎo)電膜，引線焊接在導(dǎo)電膜上。
3.如權(quán)利要求I所述的一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，其特征在于所述永磁鐵包括繞線棒和線圈，繞線棒粘接在框架上，且線圈纏繞在繞線棒上。
4.如權(quán)利要求I所述的一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，其特征在于所述框架的左水平部與斜面部連接處外表面的夾角為120度到165度之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種Y型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，包括2個形狀相同的框架、1個懸臂梁、2個永磁鐵、2個線圈和至少1個壓電片，各框架均由從左到右的三段一體制成左水平部、斜面部和右水平部；懸臂梁固定端的上表面與一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸，下表面與另一個框架左水平部的內(nèi)表面接觸；2個永磁鐵分別粘貼在懸臂梁自由端的上、下表面，并分別與上、下框架的右水平部相對應(yīng)；2個線圈分別設(shè)于上、下框架右水平部的外表面，并分別與上、下永磁鐵相對應(yīng)；所述壓電片粘貼在上、下框架斜面部的外表面。此結(jié)構(gòu)把工作在拉伸壓縮模態(tài)的壓電元件和電磁元件集成在同一發(fā)電機(jī)的不同部位，從而提高振動能量的利用率，提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力和輸出功率密度。
文檔編號H02N2/18GK102684550SQ20121014132
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者孫靜, 胡俊輝 申請人:南京航空航天大學(xué)