[发明专利]双稳态复合悬臂梁压电发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，可有效收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

随着MEMS和便携式电子设备的应用日益广泛，使用化学电池供电的传统方式暴露出诸多弊端，如寿命短、需要定期更换、污染环境等；尤其对于工作条件苛刻或在人类难以接近的地方使用的电子设备而言，更换电池成本颇高且难以实现；因此，如何为这些电子设备供电已成为亟待解决的问题。利用压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动能转化成电能，以实现电子设备的自供能。

悬臂式压电振子因其振动频率低、能量转化率高且易于集成化而备受关注。中国专利（公开号CN101262189A）公开了一种双晶悬臂式压电发电装置以收集弯曲振动能量转化为电能，中国专利（公开号CN102420542A）公开了一种单晶片悬臂式压电振动发电机，将压电层和弹性梁的有效长度比值调整为0.66，提高了发电机的开路输出功率。上述悬臂式发电装置，当其振动最大时，压电片变形最大，此时产生的电量最多。这便要求外激励和悬臂梁的固有频率尽量保持一致。然而环境中的振动源振动频率往往是不稳定的，因此这种装置很难实现与环境振动频率的良好匹配，能量转化效率低、发电量小。

为了提高发电效率，中国专利（公开号CN102412757A）提出一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机，通过调节悬臂梁端部质量块的位置改变悬臂梁的有效刚度，以调节压电发电机的基频共振频率使之与激励频率匹配，但这种方式在实际应用中较难实现。中国专利（公开号CN101272109A）和（公开号CN102148587A）分别公布了一种多悬臂梁式和多悬臂板式的压电发电装置，拓宽了压电发电装置的共振频带，但此类阵列式发电装置各压电振子无法同时工作，要达到足够的带宽则需要多个悬臂梁，导致结构体积较大，难以实现微型化。

美国专利（公开号WO2010151738A3）和中国专利（公开号CN102064745A）公开了一类双稳态压电悬臂梁发电装置，有效拓宽了悬臂梁的共振频带，但其带宽范围仍是有限的，一旦环境频率偏离压电悬臂振子的共振频带范围，发电装置的响应敏感度则会下降，无法充分吸收环境中的振动能。

发明内容

针对目前压电悬臂梁发电装置环境适应性差、发电效率低、单位时间内发电量小的问题，为了使压电发电装置能更适应环境中随机、宽带、低频的小幅振动源，本发明提供一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，通过改进结构设计，使之具有更宽的工作频率带，同时提高单位时间的发电量，优化提升发电装置的综合性能。

为了解决上述技术问题，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置予以实现的技术方案是：包括壳体，所述壳体内的中央位置固定有一圆柱体夹具，所述圆柱体夹具上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，所述八个双稳态压电悬臂振子结构呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具上的一双晶片压电悬臂梁，所述双晶片压电悬臂梁的自由端设有第一永久磁铁，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁的质量相同，且按照磁极相对放置；所述双晶片压电悬臂梁包括弹性梁以及分别粘贴在弹性梁上下表面的第一压电层和第二压电层，所述第一压电层、第二压电层和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为0.6，第一压电层和第一压电层的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极；装夹在圆柱体夹具上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子的结构参数一致，相邻布置的双稳态压电悬臂振子的结构参数不同。

进一步讲，本发明双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其中，每个双晶片压电悬臂梁上的第一压电层和第二压电层之间采用串联或并联连接。将环形阵列的八个双稳态压电悬臂振子结构按照沿环形相邻四个为一组的方式分为两组，每组包括的四个压电悬臂振子串联连接，两组之间则并联连接。

所述双稳态压电悬臂振子的结构参数包括双晶片压电悬臂梁的尺寸和第一永久磁铁和第二永久磁铁的质量。

所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。所述第一压电层和第二压电层中压电材料选用PZT和PVDF中的一种。所述电极由铂金镀层或银镀层构成，所述电极设有引出导线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：