專利名稱：微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微型電源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
無線化、便攜化的微型電子產(chǎn)品，因其具有極低能耗、可大量散布在環(huán)境條件苛刻、人類難以接近的地方或能夠植入被測物體內(nèi)部等優(yōu)點，推動了醫(yī)學(xué)植入、嵌入式傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展。但是，微電子產(chǎn)品苛刻的工作條件使得傳統(tǒng)的電池和有線電源等供電方式難以滿足其對電源的特殊要求。如各種醫(yī)學(xué)植入和結(jié)構(gòu)嵌入型微傳感器要求系統(tǒng)脫離電源線的束縛；傳統(tǒng)電池存在壽命短、存儲能量有限、相對傳感器而言體積和重量大等缺點，不僅定期更換電池會大幅增加使用成本，而且對于成千上萬隨機(jī)散布在自然環(huán)境中的無線傳感器節(jié)點而言，定期更換電池幾乎不可能實現(xiàn)。為了滿足微電子產(chǎn)品苛刻工作條件對電源的特殊要求，近年來，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注從器件周圍環(huán)境中收集能量并轉(zhuǎn)換成電能的能量收集技術(shù)。一些研究者應(yīng)用微機(jī)電加工技術(shù)(MEMQ制造的微型太陽能電池、熱電池和振動發(fā)電機(jī)可以無限、持續(xù)的為各種低功耗電子器件提供能量，然而，太陽能電池只能應(yīng)用于有光的環(huán)境中，熱電池必須存在于有溫度梯度的環(huán)境中， 因此，太陽能電池和熱電池的廣泛應(yīng)用受到環(huán)境條件的限制。由于環(huán)境中的振動無處不在， 振動發(fā)電機(jī)收集轉(zhuǎn)換的能量不僅不受環(huán)境條件的限制，而且環(huán)境中廢棄能量的收集還能降低機(jī)器的維修費用和延長使用壽命。中國專利200310111187. 4提出一種電容式振動發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)易于與其他MEMS器件集成，但是，在開始工作時電容器需要在外電場作用下被極化，一定程度上仍然受到工作環(huán)境的限制，阻礙了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。中國專利 200910080541. 9和201010M5136. 6發(fā)明了電磁式振動發(fā)電機(jī)，克服了電容式發(fā)電機(jī)開始工作時需要外部電壓推動的缺點，然而，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且線圈與磁鐵分離，因此難以微型化。中國專利200520051980. 4采用螺旋狀雙壓電陶瓷片作為發(fā)電元件，其特點為體積小，能微型化，穩(wěn)定性好，同時有效降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，然而，由于螺旋狀雙壓壓電陶瓷面積較小，因此收集電荷量少，發(fā)電功率低。中國專利200810023882. 8采用d31型壓電懸臂梁作為能量收集元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、輸出電壓高，易于微型化，可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境的特點，相對于螺旋狀壓電片，矩形壓電片收集面積大，因此提高了收集電荷量及發(fā)電功率。然而，當(dāng)環(huán)境頻率與發(fā)電機(jī)固有頻率不匹配時，壓電懸臂梁收集效率急劇下降，且其承載能力小，致使轉(zhuǎn)換能量密度低。
發(fā)明內(nèi)容為了有效地提高壓電懸臂梁的轉(zhuǎn)換能量密度，使其在振動較小的環(huán)境中，仍能產(chǎn)生較大的輸出功率，本實用新型提出一種能量收集效率高的壓電與電磁復(fù)合的懸臂梁振動發(fā)電機(jī)。微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)主要包括如下部分絕緣殼體、壓電懸臂梁、永磁體、電感線圈，其中，壓電懸臂梁由壓電片和支撐基板組成，壓電片粘貼在支撐基板上，支撐基板的一端固定在絕緣殼體上，永磁體粘貼于壓電懸臂梁的自由端，電感線圈位于永磁體正上方。壓電懸臂梁的上下兩面分別和壓電發(fā)電輸出導(dǎo)線相連，電感線圈固定在絕緣殼體上，并和電磁發(fā)電輸出導(dǎo)線相連。支撐基板上下表面的其中一面粘貼有壓電片，或上下表面都粘貼有壓電片。壓電片的極化方向與厚度方向相同，通過導(dǎo)電膠粘貼在支撐基板上。支撐基板的材料可以為金屬導(dǎo)電材料，如不銹鋼、磷青銅等。壓電懸臂梁上可以粘貼分散質(zhì)量塊。分散質(zhì)量塊的數(shù)量一般為一個以上，分別粘貼在壓電懸臂梁的上表面或下表面。壓電懸臂梁作為能量收集元件和拾振元件，在外界激勵下振動時，壓電片發(fā)出形變，依據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電發(fā)電輸出導(dǎo)線輸出交流電。同時由于永磁體運動，電感線圈中磁通量發(fā)生改變，電磁發(fā)電輸出導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電流。壓電發(fā)電輸出導(dǎo)線與電磁發(fā)電輸出導(dǎo)線分別和后續(xù)的調(diào)節(jié)電路及存儲元件相連接。壓電懸臂梁在各階諧振頻率振動下，都可以通過電磁感應(yīng)，使電磁發(fā)電輸出導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以與相同尺寸的懸臂梁壓電發(fā)電機(jī)相比，復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)提高了輸出能量密度。復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力的優(yōu)化原理在外力F或位移δ作用下，壓電懸臂梁的振動服從歐拉-伯努利梁的運動微分方程，產(chǎn)生的電能服從壓電方程。其邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)短路。根據(jù)壓電學(xué)理論，當(dāng)壓電懸臂梁自由端受外力或位移作用而產(chǎn)生彎曲變形時，其表面將有自由電荷生成。壓電片受到的應(yīng)力與其產(chǎn)生的電場服從壓電方程
\{D) = [dVxT) + [sTVxE)^ /i \式中，{D}是電位移，{E}是電場強(qiáng)度，[d]是壓電常數(shù)矩陣，{S}和{T}分別是應(yīng)變和應(yīng)力，[ε T]為應(yīng)力恒定時的自由介電常數(shù)矩陣，[SE]為電場恒定時的短路彈性柔順系數(shù)矩陣。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可以表示為⑵ dt dt )式中，E代表感應(yīng)電動勢，N表示組成閉合回路的線圈匝數(shù)，Φ是穿過每匝線圈的磁通量，云是磁感應(yīng)強(qiáng)度，^是線圈的面積矢量。當(dāng)壓電懸臂梁帶動永磁體上、下振動時，電感線圈中磁通量發(fā)生改變，電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于壓電電磁微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)同時輸出壓電、電磁兩路交流電，因此發(fā)電能力高，能量轉(zhuǎn)換密度高于同體積懸臂梁壓電發(fā)電機(jī)。復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)的工作頻率的優(yōu)化原理壓電懸臂梁的固有頻率與所受軸向載荷的關(guān)系為[0020]
權(quán)利要求1.微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)，其特征在于該發(fā)電機(jī)包括如下部分絕緣殼體(1)、壓電懸臂梁、永磁體(3-1)、電感線圈(3-2)，其中，壓電懸臂梁由壓電片和支撐基板(2-2)組成， 壓電片粘貼在支撐基板(2- 上，支撐基板0-2)的一端固定在絕緣殼體(1)上，永磁體 (3-1)粘貼于壓電懸梁臂的自由端，電感線圈(3-2)位于永磁體(3-1)正上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于壓電懸臂梁的上下兩面分別和壓電發(fā)電輸出導(dǎo)線(2-3、2-4)相連，電感線圈(3-2)固定在絕緣殼體⑴上，并和電磁發(fā)電輸出導(dǎo)線(3-3、3-4)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于壓電片的極化方向與厚度方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于壓電片通過導(dǎo)電膠粘貼在支撐基板 (2-2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于支撐基板(2- 上下表面的其中一面粘貼有壓電片，或上下表面都粘貼有壓電片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于支撐基板0-2)的材料為金屬導(dǎo)電材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于壓電懸臂梁上粘貼有分散質(zhì)量塊，分散質(zhì)量塊的數(shù)量為一個以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于分散質(zhì)量塊分別粘貼在壓電懸臂梁的上表面或下表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于分散質(zhì)量塊的數(shù)量為兩塊，大小相同，并粘貼在壓電懸臂梁下表面。
專利摘要本實用新型公開了一種屬于微型電源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的微型復(fù)合式振動發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)是壓電與電磁復(fù)合的懸臂梁振動發(fā)電機(jī)，主要包括如下部分絕緣殼體、壓電懸臂梁、永磁體，電感線圈，其中，壓電懸臂梁由壓電片和支撐基板組成，壓電片粘貼在支撐基板上，支撐基板的一端固定于絕緣殼體，永磁體粘貼于壓電懸梁臂的自由端，電感線圈位于永磁體正上方。該發(fā)電機(jī)在諧振狀態(tài)下，同步輸出壓電電流和電磁電流，在有限的體積內(nèi)提高了輸出功率，并且采用分散質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，在提高能量收集密度的同時擴(kuò)大了工作頻率范圍。
文檔編號H02N2/18GK202111635SQ201120176678
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者何青, 杜冬梅, 閆震 申請人:華北電力大學(xué)