一种基于机械振动的电能变换电路和变换方法与流程

本发明涉及一种将直流电转换成交流电，或者调节交流电频率的电能变换电路和变换方法，特别涉及一种采用机械元件、基于机械振动的电能变换电路和变换方法。

背景技术：

近年来，微型电力电子设备的尺寸越来越小，而尺寸的减小也使电能变换的难度越来越大。现有电能变换技术，主要是通过两种方式来提供一定频率和幅值的交流电，一种是将输电网中的交流电进行变压(变压器)和调频(变频器)，从而对特定的设备进行供能；另一种是利用逆变器将直流电转化为交流电，并且能够实现转化后的交流电频率和幅值可调。

对于微型电力电子设备，上述的逆变器、变压器、调频器的结构复杂、重量很大，很难微型化，这是阻碍微型设备进一步发展的关键问题。因此，需要研究基于新原理的电能变换技术，以此大幅降低上述电能变换装置的尺寸和重量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有电能变换技术的缺陷，提供一种满足微型移动设备对交流电供能需求的基于机械振动的电能变换电路和变换方法。

本发明的技术方案是：一种基于机械振动的电能变换电路，包括正电极、负电极、振动梁和固定板，其中，所述振动梁的一端为固定端，其固定在所述固定板上，所述振动梁的另一端为自由端，其悬空并置于所述正电极与所述负电极之间；振动梁的固定端连接有电能输出端口，正、负电极上施加待变换的直流电或交流电，振动梁在静电力和弹性恢复力的共同驱动下产生周期性机械振动，并在此过程中与正、负电极反复交替接触，振动梁根部可输出频率可调的交流电。

进一步地，所述输入电能为直流电或交流电。

进一步地，所述输入电能为直流电或交流电时，振动梁的固有频率(长度、截面形状、材料等参数)、输入直流或交流电压幅值的大小以及正、负电极之间的间距可调。

进一步地，所述输入电能为直流电时，所述电能变换电路可作为直流-交流逆变电路使用。

进一步地，所述输入电能为交流电时，所述电能变换电路可作为交流-交流调频电路使用。

进一步地，所述振动梁的数量可以为一根或者多根。

进一步地，利用上述基于机械振动的电能变换电路和变换方法，包括以下步骤：

(1)对所述正电极和负电极输入待变换的直流电或交流电，使所述正、负电极之间形成稳定或周期性变化的静电场；

(2)所述振动梁的自由端表面产生感应负/正电荷，当电压达到一定值时，所述振动梁会受到静电力并且其自由端被吸附到正/负电极，此时，所述振动梁的自由端与正/负电极的电势相等；

(3)在所述振动梁吸附到正/负电极后发生电荷中和，在电荷中和过程中，所述静电力逐渐减小，当弹性恢复力大于所述静电力时，所述振动梁的自由端脱离正/负电极而向负/正电极偏去，此时所述振动梁的自由端与负/正电极的电势相等；

(4)所述振动梁会在静电力和弹性恢复力的作用下在所述正、负电极之间来回振动，产生周期性变化的电势；

(5)所述电能输出端口通过振动梁的固定端输出交流电。

进一步地，当输入电能为直流电或交流电时，通过调节所述振动梁的固有频率(即长度、截面形状、材料等参数)、所述直流或交流电压幅值以及所述正、负电极之间的间距来调节输出交流电的频率；

进一步地，所述振动梁的数量为多根时且其固有频率不同，可同时在一组正、负电极之间振动，从而输出包含多种频率成分的交流电。

本发明具有以下有益效果：本发明采用机械元件而非传统电子元件对电能进行逆变和调频处理，其电路结构简洁、重量较轻、控制策略简单，易于推广应用，尤其是用于微型电力电子设备中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明基于振动梁在静电场中的自激振动现象，利用振动梁在静电场中受到的静电力和自身的弹性恢复力来实现往复振动，进而使振动梁产生周期性变化的电势。换句话说，本发明主要是采用机械元件而非传统电子元件对电能进行逆变和调频处理。

参见图1，一种基于机械振动的电能变换电路，包括振动梁1、正电极2、负电极3、固定板4和电能输出端口5，其中，所述振动梁1的一端为固定端，其固定在所述固定板4上，所述振动梁1的另一端为自由端，其悬空置于所述正电极2与所述负电极3之间，振动梁1的固定端连接有电能输出端口5。

根据振动梁在静电场中的自激振动原理，通过对所述正电极2、负电极3施加待变换的直流电或交流电后形成静电场从而产生静电力，利用静电力和所述振动梁1的弹性恢复力驱动所述振动梁1在正电极2和负电极3之间来回碰撞，所述振动梁1因此带上周期性变化的电势。

优选地，所述正电极2、负电极3的制备材料为薄金属片或表面喷镀导电材料的其他轻质材料。

所述输入电能可以为直流电，也可以为交流电。

当所述输入电能为直流电时，输出交流电的幅值与输入的直流电的大小有关，可以通过调节输入直流电的大小来调节输出交流电的幅值；输出的所述交流电的频率与所述振动梁1的振动频率一致。而所述振动梁1的振动频率与其自身固有频率(长度、截面形状及材料等参数)、所述输入直流电的大小以及所述正、负电极之间的间距有关。所述振动梁1的固有频率越大，则所述振动梁1的振动频率越大；所述输入直流电越大，则所述振动梁的1振动频率越大；所述正电极、负电极之间的间距越大，则所述振动梁1的振动频率越小；因此可通过所述振动梁1的固有频率(长度、截面形状及材料等参数)、所述输入直流电压的大小以及所述正电极2、负电极3之间的间距，来调节输出交流电的频率。

此外，输入直流电的大小既会影响输出交流电的幅值，也会影响输出交流电的频率。振动梁的固有频率、电极间距只影响输出交流电的频率。因此，希望输出交流电的幅值可调但频率不变时，除了输入直流电的大小，还需要添加一个可控参数，例如电极间距。而希望输出交流电的频率可调但幅值不变时，则输入电压不能作为可控参数。由于输入的是直流电，输出的是交流电，因此，该电能变换电路可以作为直流-交流逆变电路来使用。

当所述输入电能为交流电时，输出交流电的频率与所述振动梁1的振动频率有关。在振动梁碰撞正、负电极的情况下振动梁1的振动频率并不等于交流电频率，而是和直流电下相似，与振动梁固有频率、正负电极间距以及交流电幅值有关。因此，通过调节上述三个参数，可以调节输出交流电的频率。因此，该电能变换电路可以作为交流-交流调频电路来使用。

所述的基于机械振动的电能变换电路，如果采用轻质材料，其质量可以低至9mg，并已经成功驱动压电陶瓷工作。因此，本发明可以满足微型电子设备对小尺寸、轻质量交流供电电路的需求。

一种利用上述机械式电能变换电路的变换方法，包括以下步骤：

(1)对所述正电极2、负电极3施加直流(交流)电，所述正电极2、负电极3之间形成稳定或周期性变化的静电场；

(2)由于静电感应，所述振动梁1的自由端表面产生感应负电荷，当电压达到一定值时，所述振动梁1会受到静电力并且其自由端被吸附到正电极2，此时，由于所述振动梁1与正电极2接触且所述振动梁1的阻值较小可忽略不计，所以其固定端与正电极2等势；

(3)在所述振动梁1吸附到正电极2后发生电荷中和，在电荷中和过程中，所述静电力逐渐减小，当所述振动梁1的弹性恢复力大于所述静电力时，所述振动梁1的自由端脱离正电极2而向负电极3偏去，此时，由于所述振动梁1与负电极3接触且所述振动梁1的阻值较小可忽略不计，所以其固定端与负电极3等势；

(4)所述振动梁1会在静电力和自身的弹性恢复力的作用下在所述正电极2、负电极3之间来回振动，产生周期性变化的电势；

(5)当输入电能为直流电或交流电时，通过调节所述振动梁1的固有频率(即长度、截面形状、材料等参数)、所述直流或交流电压幅值以及所述正电极2、负电极3之间的间距来调节输出交流电的频率。

(6)在振动梁1的根部连接有电能输出端口5，该端口可以连接振动梁1的固定端和正电极2，也可以连接振动梁1的固定端和负电极3。

(7)所述振动梁1的数量为多根且其固有频率不同时，可同时在一组正电极2、负电极3之间振动，从而输出包含多种频率成分的交流电。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。