本實(shí)用新型涉及一種微型高效發(fā)電裝置，尤其是涉及一種可自動(dòng)調(diào)頻壓電電磁集成發(fā)電裝置，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）快速微型化、集成化發(fā)展，微型電子產(chǎn)品尺寸和功耗逐漸減小。當(dāng)前大多數(shù)微型傳感器、便攜式電子產(chǎn)品、低功耗設(shè)備等大都采用微型化學(xué)電池供能，化學(xué)電池壽命短、污染環(huán)境，對(duì)于植入式微設(shè)備更換電池操作繁瑣，特別是對(duì)于人體生物會(huì)造成二次傷害。基于環(huán)境振動(dòng)能量收集發(fā)電技術(shù)可克服上述化學(xué)電池缺點(diǎn)，替代傳統(tǒng)化學(xué)電池為微機(jī)電系統(tǒng)持續(xù)供能。振動(dòng)能量收集技術(shù)具有高度集成、清潔環(huán)保、持久高效的特點(diǎn)，使其在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、航空航天、生物醫(yī)療、氣象檢測(cè)、日常生活等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

當(dāng)前振動(dòng)能量收集技術(shù)主要有靜電式、壓電式和電磁式等，靜電式能量收集裝置需外部額外供能，限制其應(yīng)用。壓電式和電磁式發(fā)電裝置分別輸出高電壓和大電流，可集成二者轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)，研究一種復(fù)合式發(fā)電裝置。目前大多數(shù)振動(dòng)能量發(fā)電裝置，僅在單一諧振頻率下具有高效能量轉(zhuǎn)換率，裝置本身固有頻率一旦偏離環(huán)境振動(dòng)頻率，發(fā)電裝置功率輸出將會(huì)迅速下降。然而周圍環(huán)境振動(dòng)頻率隨機(jī)，因此拓寬能量收集裝置頻帶成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在寬頻調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域做了大量探索，大部分寬頻發(fā)電裝置需手動(dòng)調(diào)節(jié)，存在調(diào)節(jié)精度低、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，有的發(fā)電裝置還需外部額外供能進(jìn)行調(diào)節(jié)，缺乏實(shí)用性。由此可見，現(xiàn)有基于環(huán)境振動(dòng)寬頻發(fā)電技術(shù)有待于進(jìn)一步改進(jìn)和提高，使其更具實(shí)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)上述能量收集技術(shù)存在的局限性，提供了一種可自動(dòng)調(diào)頻壓電電磁集成發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置利用壓電能量轉(zhuǎn)換、電磁能量轉(zhuǎn)換、齒輪間及齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)的原理，能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可將收集到的環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)可實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境振動(dòng)頻率，將檢測(cè)線圈產(chǎn)生的電信號(hào)輸入到微控制機(jī)構(gòu)，微控制機(jī)構(gòu)可間歇周期性自主判斷裝置自身固有頻率是否匹配環(huán)境振動(dòng)頻率，對(duì)自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)發(fā)出指令調(diào)節(jié)發(fā)電裝置固有頻率，使發(fā)電裝置在諧振狀態(tài)下進(jìn)行能量采集，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種可自動(dòng)調(diào)頻壓電電磁集成發(fā)電裝置，其特征在于：包括裝置主體，裝置主體包括底座和固定在底座上方的封裝外殼，所述封裝外殼內(nèi)底座上表面固定有架體，架體導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)置有基板，所述基板上設(shè)置有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所述架體上設(shè)置有頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)，所述架體外底座上表面設(shè)置有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和微控制機(jī)構(gòu)，所訴能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由壓電發(fā)電部分和電磁發(fā)電部分組成，所述頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)由檢測(cè)線圈和檢測(cè)磁鐵組成，所述自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)包括齒輪組、齒條、傳動(dòng)軸、旋轉(zhuǎn)軸、調(diào)頻磁鐵和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所述微控制機(jī)構(gòu)由運(yùn)算放大器、智能芯片、電壓放大器組成。

所述壓電發(fā)電部分包括硅基懸臂梁和壓電片，壓電片粘貼到硅基懸臂梁下端面，所述壓電片設(shè)置有上下電極接線點(diǎn)，中間平臺(tái)位置設(shè)置有能量收集磁鐵；電磁發(fā)電部分包括硅片單元和能量收集線圈，能量收集線圈粘貼到硅片單元下端面，所述能量收集線圈設(shè)置有正負(fù)極接線點(diǎn)。

所述檢測(cè)磁鐵粘貼到架體凸出梁下端面，檢測(cè)線圈設(shè)置在底座上表面且位于檢測(cè)磁鐵正下方，所述檢測(cè)線圈正負(fù)極引線與微控制機(jī)構(gòu)相連。

所述架體兩端齒輪組相互嚙合固定到傳動(dòng)軸上，齒條固定到基板兩端隨基板上下移動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在架體上端凸塊處，架體兩端上端凸塊設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸安裝孔，旋轉(zhuǎn)軸與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相連，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與微控制機(jī)構(gòu)相連，所述調(diào)頻磁鐵設(shè)置在底座上表面且位于能量收集磁鐵正下方。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型利用壓電能量轉(zhuǎn)換、電磁能量轉(zhuǎn)換、齒輪間及齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)的原理，能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可將收集到的環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)可實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境振動(dòng)頻率，將檢測(cè)線圈產(chǎn)生的電信號(hào)輸入到微控制機(jī)構(gòu)，微控制機(jī)構(gòu)可間歇周期性自主判斷裝置自身固有頻率是否匹配環(huán)境振動(dòng)頻率，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出調(diào)節(jié)指令，通過(guò)改變調(diào)頻磁鐵和能量收集磁鐵之間距離，使發(fā)電裝置在諧振狀態(tài)下工作，提高發(fā)電效率。微控制機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可由發(fā)電裝置自身供能，無(wú)需外部額外輸入電能。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的外部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型去掉封裝外殼主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型去掉封裝外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型去掉封裝外殼后從另一側(cè)看的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型齒輪組、齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖5從底部看過(guò)去的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、封裝外殼 2、底座 3、架體 4、齒輪組 5、齒條 6、基板 7、能量收集磁鐵 8、調(diào)頻磁鐵 9、硅片單元 10、能量收集線圈 11、硅基懸臂梁 12、壓電片 13、檢測(cè)磁鐵 14、檢測(cè)線圈 15、傳動(dòng)軸 16、旋轉(zhuǎn)軸 17、步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 18、微控制機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型并不限于這些實(shí)施例。

如圖1至圖6所示，一種可自動(dòng)調(diào)頻壓電電磁集成發(fā)電裝置，包括底座2和設(shè)置在底座2上方的封裝外殼1，所述底座2上表面鍵合封裝外殼1，封裝外殼1內(nèi)有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)、微控制機(jī)構(gòu)18。所述封裝外殼1內(nèi)底座上表面鍵合架體3，架體3導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)置有基板6，所述基板6上設(shè)置有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所述架體3上設(shè)置有頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)，所述架體3外底座2上表面設(shè)置有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17和微控制機(jī)構(gòu)18。

所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由壓電發(fā)電部分和電磁發(fā)電部分組成。壓電發(fā)電部分包括硅基懸臂梁11和壓電片12，壓電片12粘貼到硅基懸臂梁11下端面，所述壓電片12設(shè)置有上下電極接線點(diǎn)，中間平臺(tái)位置設(shè)置有能量收集磁鐵7；電磁發(fā)電部分包括硅片單元9和能量收集線圈10，能量收集線圈10粘貼到硅片單元9下端面，所述能量收集線圈10設(shè)置有正負(fù)極接線點(diǎn)。環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置時(shí)，壓電發(fā)電部分硅基懸臂梁11會(huì)隨能量收集磁鐵7做上下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，使壓電片12發(fā)生機(jī)械形變，根據(jù)壓電材料的正壓電效應(yīng)，壓電片12上下表面將聚集正負(fù)相反束縛電荷，壓電片12的上下電極接線點(diǎn)與基板6上設(shè)置的壓電發(fā)電部分接線點(diǎn)相連輸出電能；同時(shí)能量收集磁鐵7與能量收集線圈10作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)能量收集線圈10的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，能量收集線圈10會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，能量收集線圈10的正負(fù)極接線點(diǎn)與基板6上設(shè)置的電磁發(fā)電部分接線點(diǎn)相連輸出感應(yīng)電流。

所述頻率檢測(cè)機(jī)構(gòu)由檢測(cè)線圈14和檢測(cè)磁鐵13組成。所述檢測(cè)磁鐵13粘貼到架體3凸出梁下端面，檢測(cè)線圈14設(shè)置在底座2上表面且位于檢測(cè)磁鐵13正下方,所述檢測(cè)線圈14正負(fù)極引線與微控制機(jī)構(gòu)18相連。在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下，檢測(cè)磁鐵13隨架體3凸出梁做小幅度上下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)線圈14會(huì)產(chǎn)生微弱正弦波電流輸入到微控制機(jī)構(gòu)18。

所述自動(dòng)調(diào)頻機(jī)構(gòu)包括齒輪組4、齒條5、傳動(dòng)軸15、旋轉(zhuǎn)軸16、調(diào)頻磁鐵8和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17。所述架體3兩端齒輪組4相互嚙合固定到傳動(dòng)軸15上，齒條5固定到基板6兩端隨基板6上下移動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)軸16設(shè)置在架體3上端凸塊處，架體3兩端上端凸塊設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸16安裝孔，旋轉(zhuǎn)軸16與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17相連，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17與微控制機(jī)構(gòu)18相連，所述調(diào)頻磁鐵8設(shè)置在底座2上表面且位于能量收集磁鐵7正下方。當(dāng)檢測(cè)線圈14收集到的微弱正弦波電流輸入到微控制機(jī)構(gòu)18，微控制機(jī)構(gòu)18中的運(yùn)算放大器會(huì)將正弦波電流轉(zhuǎn)換成智能芯片識(shí)別的方形波電流，智能芯片會(huì)根據(jù)方形波電流大小間歇周期性自主判斷發(fā)電裝置自身固有頻率是否匹配環(huán)境振動(dòng)頻率，通過(guò)電壓放大器對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17發(fā)出指令，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17轉(zhuǎn)動(dòng)所需電能由發(fā)電裝置自身提供，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17工作會(huì)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)齒輪組4嚙合運(yùn)動(dòng)，齒輪組4和齒條5嚙合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基板6上下運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)能量收集磁鐵7和調(diào)頻磁鐵8之間距離，能量收集磁鐵7和調(diào)頻磁鐵8間磁力會(huì)改變硅基懸臂梁11的剛度，調(diào)節(jié)發(fā)電裝置固有頻率匹配環(huán)境振動(dòng)頻率使其在諧振狀態(tài)下工作。

所述微控制機(jī)構(gòu)18由運(yùn)算放大器、智能芯片、電壓放大器組成。運(yùn)算放大器將檢測(cè)線圈14輸入的正弦波電流轉(zhuǎn)換成智能芯片識(shí)別的方形波電流，智能芯片內(nèi)有調(diào)節(jié)程序，該程序涉及方形波電流大小與能量收集磁鐵7和調(diào)頻磁鐵8之間距離關(guān)系以及能量收集磁鐵7和調(diào)頻磁鐵8之間距離與發(fā)電裝置固有頻率關(guān)系，通過(guò)電壓放大器對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17發(fā)出指令，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17工作使能量收集磁鐵7和調(diào)頻磁鐵8相對(duì)運(yùn)動(dòng)到合適位置，讓發(fā)電裝置在諧振狀態(tài)下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

所述基板6上設(shè)置有壓電發(fā)電部分接線點(diǎn)和電磁發(fā)電部分接線點(diǎn)，底座2兩端上表面設(shè)置引線鍵合焊盤，與基板6上的接線點(diǎn)鍵合方便輸出電能。

本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，但本實(shí)用新型并不局限于上述實(shí)施例的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可對(duì)所描述的具體實(shí)施例根據(jù)本實(shí)用新型的本質(zhì)做出修改或補(bǔ)充。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。