专利名称：双稳态双悬臂梁压电发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，可有效利用周围环境的振动能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。
背景技术：
利用压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动动 能转化成可利用的电能，压电材料结构简単、绿色环保、能量密度大、无电磁干扰且易于加工和实现微型化、集成化，具有明显优势。压电发电装置可用于微电子设备及移动电子设备等的供电，实现电子设备的自供能，免去更换电池或频繁充电带来的不便，从而提高电子设备的免维护性、使用寿命和使用范围。悬臂梁是压电发电装置中最常用的结构方式，例如，中国专利CN101944860A公布了一种压电悬臂梁振动能量采集器用于微机电系统供电，美国专利W02007121092A3也公布了一种用于MEMS供电的悬臂式压电能量回收装置。上述发电装置只有达到谐振工作状态时才能收集较多的能量，然而环境振动通常是随机的低宽频激励，使压电悬臂梁很难エ作在共振状态。为解决这ー问题，美国专利W02010151738A3公开了ー种双稳态压电悬臂梁发电装置，与线性发电结构相比，输出电压提高了 2倍(开路状态)，输出功率高出8倍。中国专利CN102064745A也公开了ー种双稳态压电悬臂梁振子装置，在一定程度上提高了宽带低频振动环境下压电振动的发电效率。但上述各技术方案均是利用单个压电悬臂梁进行发电，结构本身的限制使得对环境振动能的利用率低，単位时间内的发电量较小。
发明内容
针对上述现有技术中仍需改进之处，本发明提供一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，以更适应环境振动激励的特点，提高发电量和发电效率。为了解决上述技术问题，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置予以实现的技术方案是包括壳体，所述壳体内的中间位置固定有ー夹具，所述夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；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压电悬臂梁，所述双晶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按照磁极相对放置；所述双晶压电悬臂梁包括弾性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的第一压电层和第二压电层，所述弹性梁、第一压电层、第二压电层的宽度及长度均分别相等；第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极。进ー步讲，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置，其中，夹具两端的两个压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置。所述夹具的高度大于双晶压电悬臂梁的最大挠度。所述弹性梁选用铜和单晶硅中的ー种。所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的一种。
所述电极由镀钼金层或镀银层构成，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(I)将双稳态振动系统用于压电发电中，利用结构固有的非线性特性，在环境振动激励和磁力的共同作用下压电悬臂梁振子会发生随机共振现象，振子在两个稳态点之间做大幅周期运动。这种低宽频激励下的随机共振，克服了线性系统只在固有频率附近才能发生共振的限制，从而提高发电效率。(2)将两组双稳态压电悬臂梁振子对称固定在同一夹具上，当外界环境的振动频率落在本发电装置的谐振频带内时，两组发电振子将同时工作，从而有效提高単位时间内装置的发电量。本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置置于电子设备或交通工具上，可将周围环境的振动能转化为电能，而双稳态压电发电结构固有的非线性特性，可实现宽低频激励下的大幅运动，从而有效利用环境振动进行发电，提高发电效率。同吋，将两组压电悬臂梁组合 起来以提高发电量。
图I是双稳态双悬臂梁压电发电装置三维模型视图；图2是双稳态双悬臂梁压电发电装置的主视图；图3是上下表面均粘贴有压电层的双晶压电悬臂梁3的局部结构示意图；图4是两永久磁铁间排斥力作用示意图；图5是双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图；图6是双稳态压电悬臂梁振子振动响应的时间历程图。图中I-壳体2-夹具3-双晶压电悬臂梁4-第一永久磁铁5-第二永久磁块 6-第一压电层 7-第二压电层8-导线9-电极
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进ー步详细地描述。如图I和图2所示，本发明双稳态双悬臂梁压电发电装置，包括壳体1，所述壳体I内的中间位置固定有ー夹具2，所述夹具2的两端与同侧的壳体I内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构，夹具2两端的两个双稳态压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置，所述夹具2的高度大于双晶压电悬臂梁3的最大挠度；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在夹具2上的一双晶压电悬臂梁3，所述双晶压电悬臂梁3的自由端设有第一永久磁铁4，在同侧的壳体I内壁上、且与所述第一永久磁铁4同一水平位置处固定有第ニ永久磁铁5,所述第一永久磁铁4和第二永久磁铁5按照磁极相对放置；所述双晶压电悬臂梁3包括弾性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的第一压电层6和第二压电层7，所述弹性梁选用铜和单晶硅中的ー种，所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的ー种。所述弹性梁、第一压电层6、第二压电层7的宽度及长度均分别相等；第ー压电层6和第二压电层6的上下两面均分别设有电极9，所述电极9由镀钼金层或镀银层构成，所述电极9设有引出导线8。本发明中的夹具2的轮廓为长方体形状，当环境振动时，外界的机械振动能会传递给夹具2以带动夹具两侧的两组双晶压电悬臂梁3发生横向振动，此时，位于双晶压电悬臂梁3上下两侧面的第一压电层6和第二压电层7发生形变产生电荷。将夹具2的高度设计为大于双晶压电悬臂梁3的最大挠度，以防止双晶压电悬臂梁3与壳体I发生碰撞，避免压电振子的损坏。双晶压电悬臂梁3上下面上的第一压电层6和第二压电层7之间采用串联或并联连接。每个压电层的上下表层均镀有电极9并焊有引线作为导线8，以方便后续的收集存储装置的连接。所述第一、第二永久磁铁为矩形磁块，将位于夹具2同一侧的两个永久磁铁按照磁极相对放置，所产生的排斥力，使得压电悬臂梁振子结构在适当条件下(即压电振子为负刚度系统时)发生随机共振，此时，两组压电悬臂梁振子均发生持续大幅运动，以实现振动能向电能的转化。实施例如图I所示，包括壳体I、夹具2及对称于夹具2竖直中心面放置的两个双晶压电 悬臂梁3分别固定在夹具2的两侧，在两个双晶压电悬臂梁3的上下表面均分别粘贴有第一压电层6和第二压电层7，在两个双晶压电悬臂梁3的自由端均分别粘贴有第一永久磁铁
4,在壳体I的左右两内侧壁上固定第二永久磁铁5,并保证第二永久磁铁5与第一永久磁铁4在同一个水平位置，而且第一永久磁铁4和第二永久磁铁5按照同磁极ー侧相对放置。图3示出了上、下表面均粘贴有压电层的双晶压电悬臂梁3的局部结构，以单侧双晶压电悬臂梁3为例，压电层6和7分别粘贴在双晶压电悬臂梁3的上下表面，而每个压电层6、7的上下表面又分别镀有电极9，进而通过导线8与整流存储电路连接。使用时，先将整个装置置于电子设备中，当外界环境振动时，夹具2会随之而产生振动，于是固定在夹具两侧的双晶压电悬臂梁3发生横向受迫振动，压电层(压电陶瓷)随之发生形变，从而实现环境振动机械能向电能的转化。实施例中压电层选用PZT-5A压电陶瓷，第一永久磁铁4和第二永久磁铁5均采用钕铁硼超强矩形磁铁。下表是本发明中压电悬臂振子结构參数
权利要求
1.一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，包括壳体，其特征在于，所述壳体内的中间位置固定有一夹具，所述夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；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压电悬臂梁，所述双晶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按照磁极相对放置； 所述双晶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，所述弹性梁、第一压电层、第二压电层的宽度及长度均分别相等； 第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极。
2.根据权利要求I所述双稳态双悬臂梁压电发电装置，其特征在于，夹具两端的两个压电悬臂振子结构相对夹具的竖直中心面为对称布置。
3.根据权利要求I所述双稳态双悬臂梁压电发电装置，其特征在于，所述夹具的高度大于双晶压电悬臂梁的最大挠度。
4.根据权利要求I所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。
5.根据权利要求I所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于所述第一压电层和第二压电层中的压电材料选用PZT和PVDF中的一种。
6.根据权利要求I所述双稳态双悬臂梁压电发电转置，其特征在于所述电极由镀钼金层或镀银层构成，所述电极设有引出导线。
全文摘要
本发明公开了一种双稳态双悬臂梁压电发电装置，壳体内固定有一夹具，夹具两端与同侧的壳体内壁之间均分别设一双稳态压电悬臂振子结构；双稳态压电悬臂振子结构包括与夹具固定的双晶压电悬臂梁，双晶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、且与第一永久磁铁同一水平位置处固定有第二永久磁铁，两永久磁铁按照磁极相对放置；双晶压电悬臂梁包括弹性梁，以及粘贴在弹性梁上、下表面的压电层，弹性梁和压电层的宽度及长度均分别相等；压电层的上下两面均分别设有电极。本发明固有的非线性特性可实现宽低频激励下的大幅运动，可有效利用环境振动进行发电，提高发电效率。将两组压电悬臂梁组合起来可有效提高单位时间内装置的发电量。
文档编号H02N2/18GK102790547SQ201210249090
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者孙舒, 曹树谦, 郭抗抗 申请人:天津大学