基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于等腰梯形懸臂梁的壓電?電磁俘能裝置，包含基座，基座呈正多邊形，每條邊均設有一個懸臂梁；懸臂梁呈等腰梯形，其底邊與基座的邊固定相連，且與基座處于同一平面；懸臂梁的上設有壓電片；懸臂梁遠離基座一端的上表面和下表面分別設有第一永磁鐵、第二永磁鐵；第一永磁體上設有第一感應線圈，第二永磁鐵下設有第二感應線圈；第一感應線圈、第二感應線圈之間通過連接桿固定連接；第一感應線圈上設有定滑輪，定滑輪上設有連接線，連接線一端和第一感應線圈相連，另一端和第一永磁體相連。本發(fā)明更適應環(huán)境中隨機、寬帶、低頻、大振幅以及高強度振動，能量回收效率高。
【專利說明】
基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領域，具體涉及一種基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]信息技術(shù)的飛速發(fā)展并沒有帶動電源技術(shù)的快速發(fā)展，電源的能量密度沒有明顯的提高。雖然化學能電池因使用方便而被廣泛使用，但環(huán)境污染、回收困難、浪費材料等問題也日益突出。因此尋找可替代能源成為當今研究的熱點。其中可行的方法是從周圍環(huán)境振動中俘獲能量。在我們生活環(huán)境的周圍，存在著各種各樣的廢棄的能量，例如太陽能、壓力能、機械振動能等。太陽能和壓力能雖然其能量密度比較高，但是由于其能量采集和供給技術(shù)的限制很難被廣泛的應用到生活中。
[0003]比較上述能量采集方法，壓電材料具有能耗低，易于微型化等特點，壓電陶瓷振動發(fā)電機是一種持久、清潔、免維護的新型發(fā)電裝置，因此壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)的研究已得到廣泛重視，在無線傳感器網(wǎng)絡自供電方面具有較廣闊的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對目前現(xiàn)有壓電振動發(fā)電裝置環(huán)境適應性差、發(fā)電效率低、低頻適應性差、單位時間內(nèi)發(fā)電量小的問題，提供一種基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，使壓電發(fā)電裝置能夠更適應環(huán)境中隨機、寬帶、低頻、大振幅以及高強度振動，能量回收效率高。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，包含基座，所述基座呈正多邊形，且基座的每條邊均設有一個懸臂梁；
所述懸臂梁呈等腰梯形，其底邊與基座的邊固定相連，且與基座處于同一平面；
所述懸臂梁的上設有壓電片。
[0006]正多邊形的基座可以使向四周擴散的振動能傳遞到每一個梁上，可以更好的利用環(huán)境振動能量，提尚能量利用率。
[0007]對于懸臂梁的結(jié)構(gòu)，與矩形相比，等腰梯形的應力分布較為均勻并且應力較大;懸臂梁的結(jié)構(gòu)是在保證懸臂梁可以正常工作的情況下，懸臂梁盡可能長，可以降低懸臂梁的諧振頻率。
[0008]多個懸臂梁通過基座復合在一起，可以使懸臂梁在低頻范圍內(nèi)可以出現(xiàn)多階諧振頻率，也可以降低各階諧振頻率之間的差值，拓寬其頻帶，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣。
[0009]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述懸臂梁的上表面和下表面上均設有壓電片。
[0010]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述壓電片的形狀與懸臂梁的形狀相同，通過導電膠黏貼在懸臂梁的表面上。
[0011]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0012]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0013]懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片若采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出電壓;若采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出電流。
[0014]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述基座為正六邊形。
[0015]作為本發(fā)明基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置進一步的優(yōu)化方案，所述懸臂梁遠離基座一端的上表面和下表面分別設有第一永磁鐵、第二永磁鐵；
所述第一永磁體上設有第一感應線圈，所述第二永磁鐵下設有第二感應線圈；
所述第一感應線圈、第二感應線圈之間通過連接桿固定連接；
所述第一感應線圈上設有定滑輪，定滑輪上設有連接線，連接線一端和第一感應線圈相連，另一端和第一永磁體相連。
[0016]第一永磁鐵和第二永磁鐵一方面可以用于懸臂梁自由端的質(zhì)量塊，降低懸臂梁的諧振頻率，另一方面，當懸臂梁振動時，感應線圈會產(chǎn)生感應電動勢;另外，永磁鐵上下運動也會帶動懸臂梁的上下運動，懸臂梁就會產(chǎn)生形變，由于正壓電效應，懸臂梁上下表面的壓電片就會產(chǎn)生電勢差;在滑輪的帶動下，保證永磁鐵和感應線圈相向運動;使永磁鐵和感應線圈可以相向運動，提高輸出值。
[0017]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.采用的等腰梯形懸臂梁獲得較為均勻的應力分布和較大的應力值，多個懸臂梁的結(jié)構(gòu)可以使壓電裝置在低頻范圍內(nèi)存在多階諧振頻率，并且各階諧振頻率之間的差值較小，拓寬了頻帶，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣；
2.第一永磁鐵和第二永磁鐵一方面當做質(zhì)量塊，降低了懸臂梁的諧振頻率，使其對低頻環(huán)境的適應性更強;另一方面，與單一永磁鐵和單一感應線圈裝置比較，本發(fā)明中的永磁鐵和感應線圈通過滑輪的相向運動使電磁發(fā)電的能力顯著提高；
3.壓電和電磁的耦合作用，彌補了壓電裝置的輸出電流小和電磁裝置的輸出電壓小的缺點，使其輸出電壓較高，電流較大。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明基底采用正六邊形的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明基底采用正六邊形的俯視圖；
圖3是本發(fā)明基底采用正六邊形時一個懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中，1-基座，2-懸臂梁，3-壓電片，4-永磁鐵，5-感應線圈；6_連接桿，7_定滑輪，8-固定支架，9-連接線。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
本發(fā)明公開了基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，包含基座，所述基座呈正多邊形，且基座的每條邊均設有一個懸臂梁;所述懸臂梁呈等腰梯形，其底邊與基座的邊固定相連，且與基座處于同一平面;所述懸臂梁的上設有壓電片。
[0021]所述懸臂梁的上表面和下表面上均可以設置壓電片，壓電片的形狀與懸臂梁的形狀相同，通過導電膠黏貼在懸臂梁的表面上。
[0022]懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片可以采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，也可以采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，若采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出電壓;若采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出電流。
[0023]所述懸臂梁遠離基座一端的上表面和下表面分別設有第一永磁鐵、第二永磁鐵；所述第一永磁體上設有第一感應線圈，所述第二永磁鐵下設有第二感應線圈；所述第一感應線圈、第二感應線圈之間通過連接桿固定連接;所述第一感應線圈上設有定滑輪，定滑輪上設有連接線，連接線一端和第一感應線圈相連，另一端和第一永磁體相連。
[0024]如圖1和圖2所示，下面以基座采用正六邊形為例進行說明:
基底的底座A是一個正六邊形，梁a、b、c、d、e、f是規(guī)格相同的等腰梯形的懸臂梁(由于梁a、b、c、d、e、f的規(guī)格都是相同的，所以下文中均以梁a為例進行說明)。當?shù)鬃鵄受到振動源的激勵后，基座A可以使向四周擴散的振動能傳遞到四周的梁a、b、c、d、e、f上，可以更好的利用環(huán)境振動能量，提高能量利用率。對于懸臂梁a的結(jié)構(gòu)，與矩形相比，等腰梯形的應力分布較為均勻并且應力較大;懸臂梁a的結(jié)構(gòu)是在保證懸臂梁可以正常工作的情況下，懸臂梁的長度要長，可以降低懸臂梁的諧振頻率;六個梁通過基座復合在一起，可以使懸臂梁在低頻范圍內(nèi)可以出現(xiàn)多階諧振頻率，也可以降低各階諧振頻率之間的差值，使其對低頻環(huán)境的適用性更廣。
[0025]圖3是本發(fā)明基底采用正六邊形時一個懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖，其工作過程如下:
外界力作用在基座上時，基座會把振動能量傳遞給四周的懸臂梁，懸臂梁振動會帶動著懸臂梁基底彎曲，產(chǎn)生形變，那么粘貼在懸臂梁上下表面的壓電片也會隨之產(chǎn)生形變，由于壓電片是具有壓電效應的壓電材料，當壓電片產(chǎn)生形變時會引起壓電片表面的帶電粒子偏離平衡位置，進而壓電片的上下表面就會產(chǎn)生電勢差;另外，懸臂梁的振動也會帶動第一永磁鐵和第二永磁鐵上下運動，根據(jù)法拉第電磁感應，閉合的第一感應線圈和第二感應線圈也會產(chǎn)生感應電動勢，當?shù)谝挥来盆F和第二永磁鐵向上運動時，第一感應線圈和第二感應線圈在滑輪的帶動下向下運動，當?shù)谝挥来盆F和第二永磁鐵向下運動時，第一感應線圈和第二感應線圈在滑輪的帶動下向上運動，即永磁鐵和感應線圈發(fā)生相向運動，這樣與單一永磁鐵和單一感應線圈裝置比較，電磁發(fā)電能力顯著提高。
[0026]本技術(shù)領域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0027]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，包含基座，所述基座呈正多邊形，且基座的每條邊均設有一個懸臂梁； 所述懸臂梁呈等腰梯形，其底邊與基座的邊固定相連，且與基座處于同一平面； 所述懸臂梁的上設有壓電片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述懸臂梁的上表面和下表面上均設有壓電片。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述壓電片的形狀與懸臂梁的形狀相同，通過導電膠黏貼在懸臂梁的表面上。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述懸臂梁上表面的壓電片和下表面的壓電片采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述基座為正六邊形。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的基于等腰梯形懸臂梁的壓電-電磁俘能裝置，其特征在于，所述懸臂梁遠離基座一端的上表面和下表面分別設有第一永磁鐵、第二永磁鐵； 所述第一永磁體上設有第一感應線圈，所述第二永磁鐵下設有第二感應線圈； 所述第一感應線圈、第二感應線圈之間通過連接桿固定連接； 所述第一感應線圈上設有定滑輪，定滑輪上設有連接線，連接線一端和第一感應線圈相連，另一端和第一永磁體相連。
【文檔編號】H02K35/00GK105958865SQ201610454993
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】江兵, 崔云躍, 封勵之, 徐紅斌, 劉毅
【申請人】南京郵電大學