本發(fā)明屬于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采集振動能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。

技術(shù)背景

隨著微電子技術(shù)和無線技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備和無線傳感器進入了小型、低功耗化的時代。通常情況下，這些設(shè)備都是依靠電池來提供能量，如鎳氫電池、鋰聚合物電池等。但是電池供能的缺陷在于，一是重量和體積較大，限制了用電元件的小型、微型化；二是使用壽命有限，需要頻繁更換或者充電，這對于氣候惡劣或者遙遠地區(qū)的無線傳感器而言，是很嚴(yán)重的制約條件。由于能量采集器可以把自然環(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)換成電能并進行存儲，可作為一種代替電池的供能方式，因此受到越來越廣泛的重視。振動能也是環(huán)境中最普通的一種能源，自然環(huán)境中的振動現(xiàn)象無處不在，所以，振動能量采集器的研發(fā)已成為新能源研究中的一大熱點。

在振動能量采集器中，壓電式振動能的采集方式較為普遍，它利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，使壓電晶體受到外界振動力的作用而引起內(nèi)部電荷的流動從而輸出電能。由于直線型懸臂梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生最大的撓度和柔順系數(shù)，具有較低的諧振頻率和較寬的動態(tài)范圍，同時擁有結(jié)構(gòu)鋼度低、高靈敏度、容易通過微細加工等優(yōu)點，因此壓電懸臂梁式振動能量采集器成為壓電式振動能量采集器的首選結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的線性或非線性壓電懸臂梁式振動能量采集器，只能收集一個方向上的振動能量，但是自然環(huán)境中的振動可能來自三維空間中的任意方向，這就阻礙了該形式振動能量采集器的實際應(yīng)用。而本發(fā)明的提出就可以克服這一重大缺陷，使壓電懸臂梁式振動能量采集器得到廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服常規(guī)壓電懸臂梁振動能量采集器無法實現(xiàn)三維方向上能量采集的缺陷，本發(fā)明提出了一種三維壓電懸臂梁振動能量采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以在不同方向激勵下均能夠有效地采集振動能量，提高機電能量轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案予以說明。三維壓電懸臂梁振動能量采集系統(tǒng)具有直角基座、懸臂梁、永磁鐵、壓電片、整流穩(wěn)壓電路、以及儲能元件等。在直角基座上設(shè)有三根懸臂梁，第一根懸臂梁水平固定在直角基座的立面，工作面為上下結(jié)構(gòu)；第二與第三懸臂梁垂直固定在直角基座的水平面，但第二與第三懸臂梁的工作面相互垂直。在每根懸臂梁的自由端分別設(shè)有第一、第二和第三永磁鐵，在每根懸臂梁的固定端的上下兩個表面分別設(shè)有第一、第二和第三壓電片，壓電片距離直角基座的立面或水平面均為2-3mm。第二永磁鐵與第一、第三永磁鐵相對應(yīng)的面選擇極性相同的面，使其產(chǎn)生相互排斥力。

本發(fā)明的原理是，振動梁一端固定，另一端懸空，構(gòu)成懸臂結(jié)構(gòu)。第一(左側(cè))和第三(右側(cè))兩個懸臂梁上的磁鐵因受到中間懸臂梁上磁鐵的排斥，所以該設(shè)置結(jié)構(gòu)成了雙穩(wěn)振動梁，而第二(中間)懸臂梁同樣受到兩邊磁鐵的排斥而構(gòu)成單穩(wěn)振動梁。當(dāng)系統(tǒng)受到外界任意方向隨機振動激勵時，左側(cè)和右側(cè)兩懸臂梁可以形成圍繞各自初始平衡位置產(chǎn)生雙穩(wěn)振蕩，中間懸臂梁以單穩(wěn)態(tài)形式振蕩。振動會引起每個懸臂梁表面上下彎曲，使得懸臂梁表面上的壓電片變形，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電片會有電荷產(chǎn)生，通過整流穩(wěn)壓電路和儲能元件，便可進行電能的輸出與存儲。

本發(fā)明的特點和有益的效果在于：本發(fā)明的特點在于：(1)能夠同時采集三維方向上的振動能量；(2)采集過程中自身結(jié)構(gòu)能量損耗很低；(3)優(yōu)于同類規(guī)格三維線性壓電懸臂梁振動能量采集器的能量采集效果；(4)能夠適應(yīng)不同強度的外界激勵，無需調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)即可實現(xiàn)輸出電能的優(yōu)化。三維壓電懸臂梁振動能量采集系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡潔，而且對于變化的任意方向的環(huán)境隨機激勵振動，通過兩雙穩(wěn)和一單穩(wěn)的三梁結(jié)構(gòu)模式，在結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變情況下，將本裝置放置在多維方向振動激勵環(huán)境中，可以有效獲取振動能量并轉(zhuǎn)換為電能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為z方向結(jié)構(gòu)的簡化視圖。

圖3是x方向激勵加速度分別為0.05g和0.5g時，三維振動能量采集系統(tǒng)各個梁輸出的電壓波形。

圖4是y方向激勵加速度分別為0.05g和0.5g時，三維振動能量采集系統(tǒng)各個梁輸出的電壓波形。

圖5是z方向激勵加速度分別為0.05g和0.5g時，三維振動能量采集系統(tǒng)各個梁輸出的電壓波形。

圖3～圖5所產(chǎn)生的輸出電壓波形，分別由a、b、c、d、e、f6個小圖組成，其中a、b、c三個小圖表示激勵加速度有效值為0.05g時，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值。d、e、f三個小圖表示激勵加速度有效值為0.5g時，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。三維壓電懸臂梁振動能量采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特征是：在直角基座4上設(shè)有三根懸臂梁，第一根懸臂梁1-1水平固定在直角基座的立面；工作面為上下結(jié)構(gòu)；第二懸臂梁1-2與第三懸臂梁1-3垂直固定在直角基座的水平面，但第二與第三懸臂梁的工作面相互垂直(如圖1)。在每根懸臂梁的自由端分別設(shè)有第一永磁鐵2-1、第二永磁鐵2-2、和第三永磁鐵2-3。在每根懸臂梁固定端的上下兩個工作面分別設(shè)有第一壓電片3-1、第二壓電片3-2和第三壓電片3-3，壓電片距離直角基座的立面或水平面均為2-3mm。三個壓電片所產(chǎn)生的電能通過整流穩(wěn)壓電路和儲能元件，進行電能的輸出與存儲；第二永磁鐵與第一、第三永磁鐵相對應(yīng)的面選擇極性相同的面，使其產(chǎn)生相互排斥力(如圖2)。三根懸臂梁的形狀、尺寸相同；三個永磁鐵的磁感應(yīng)強度相同。

設(shè)置的三個永磁鐵之間的間距相等，并且在工作過程中，第二永磁鐵不能與第一永磁鐵和第三永磁鐵發(fā)生干涉或碰撞。第一與第三懸臂梁的剛度保持一致，第二懸臂梁的剛度可進行調(diào)整。

懸臂梁為薄片結(jié)構(gòu)，定義相對較寬的一側(cè)為工作面。第一懸臂梁固定安裝在直角基座的鉛垂面，第二和第三懸臂梁的工作面相互垂直固定在直角基座的水平面。三個永磁鐵依左、中、右梁次序呈同一水平線安裝放置，永磁鐵的間距需要根據(jù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)(如懸臂梁尺寸、磁鐵尺寸等)計算并實驗確定。

作為實施例，第二永磁鐵s極與第一永磁鐵s極對應(yīng)；第二永磁鐵n極與第三永磁鐵n極相對應(yīng)。三個懸臂梁的固定端距離直角基座墻面2mm。每個梁的上下兩側(cè)分別粘貼有壓電片，壓電片接有引線將電能輸出。

懸臂梁的材料、結(jié)構(gòu)一致。材料為高彈性的矽鋼，形狀為長條狀。結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：長度(不包括固定在直角基座內(nèi)部長度)70mm，寬度10mm，厚度0.2mm。

永磁鐵的材質(zhì)為鐵氧體磁鐵，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：長5mm，寬8mm，高15mm。三個永磁鐵之間的間距均為12mm。

壓電片的材料為pzt-5a，尺寸參數(shù)為：長20mm，寬8mm，厚0.3mm。壓電片粘貼在懸臂梁表面固定端部。

將本發(fā)明系統(tǒng)裝置安裝在激振臺上進行不同方向和強度激勵實驗，為了說明本發(fā)明的實施效果，圖3至圖5給出了不同激勵加速度下，通過本裝置得到的輸出電壓波形。

圖3是激振方向在x軸方向，(a)、(b)、(c)3個圖給出激勵的加速度有效值為0.05g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.0222v、0.0276v和0.0123v；(d)、(e)、(f)3個圖給出的激勵加速度有效值為0.5g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.2433v、0.2574v和0.1627v。

圖4是激振方向在y軸方向，(a)、(b)、(c)3個圖給出激勵的加速度有效值為0.05g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.0943v、0.0804v和0.0325v；(d)、(e)、(f)三個圖給出的激勵加速度有效值為0.5g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.3581v、0.2826v和0.2349v。

圖5是激振方向在z軸方向，(a)、(b)和(c)3個圖給出激勵的加速度有效值為0.05g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.0326v、0.0203v和0.0591v；(d)、(e)、(f)三個圖給出激勵的加速度有效值為0.5g，三個懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值vxrms、vyrms和vzrms分別為0.2414v、0.1182v和0.4248v。

從總體輸出電壓值上可以看到，三維能量采集裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三個方向上的能量采集。將本裝置安裝在諸如道路旁等具有振動激勵背景的場合，即可實現(xiàn)振動能量采集和機電能量轉(zhuǎn)換。