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(dòng)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(wú)線技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備和無(wú)線傳感器進(jìn)入了小型、低功耗化的時(shí)代。通常情況下，這些設(shè)備都是依靠電池來(lái)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(duì)于氣候惡劣或者遙遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)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(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能并進(jìn)行存儲(chǔ)，可作為一種代替電池的供能方式，因此受到越來(lái)越廣泛的重視。振動(dòng)能也是環(huán)境中最普通的一種能源，自然環(huán)境中的振動(dòng)現(xiàn)象無(wú)處不在，所以，振動(dòng)能量采集器的研發(fā)已成為新能源研究中的一大熱點(diǎn)。

在振動(dòng)能量采集器中，壓電式振動(dòng)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(dòng)力的作用而引起內(nèi)部電荷的流動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)擁有結(jié)構(gòu)鋼度低、高靈敏度、容易通過(guò)微細(xì)加工等優(yōu)點(diǎn)，因此壓電懸臂梁式振動(dòng)能量采集器成為壓電式振動(dòng)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(dòng)能量采集器，只能收集一個(gè)方向上的振動(dòng)能量，但是自然環(huán)境中的振動(dòng)可能來(lái)自三維空間中的任意方向，這就阻礙了該形式振動(dòng)能量采集器的實(shí)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(dòng)能量采集器得到廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服常規(guī)壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器無(wú)法實(shí)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(dòng)能量采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以在不同方向激勵(lì)下均能夠有效地采集振動(dòng)能量，提高機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案予以說(shuō)明。三維壓電懸臂梁振動(dòng)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(chǔ)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(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)梁。當(dāng)系統(tǒng)受到外界任意方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，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(dòng)會(huì)引起每個(gè)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(huì)有電荷產(chǎn)生，通過(guò)整流穩(wěn)壓電路和儲(chǔ)能元件，便可進(jìn)行電能的輸出與存儲(chǔ)。

本發(fā)明的特點(diǎn)和有益的效果在于：本發(fā)明的特點(diǎn)在于：(1)能夠同時(shí)采集三維方向上的振動(dòng)能量；(2)采集過(guò)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(dòng)能量采集器的能量采集效果；(4)能夠適應(yīng)不同強(qiáng)度的外界激勵(lì)，無(wú)需調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)輸出電能的優(yōu)化。三維壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，而且對(duì)于變化的任意方向的環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)振動(dòng)，通過(guò)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(dòng)激勵(lì)環(huán)境中，可以有效獲取振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換為電能。

附圖說(shuō)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(jiǎn)化視圖。

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

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

圖5是z方向激勵(lì)加速度分別為0.05g和0.5g時(shí)，三維振動(dòng)能量采集系統(tǒng)各個(gè)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(gè)小圖組成，其中a、b、c三個(gè)小圖表示激勵(lì)加速度有效值為0.05g時(shí)，三個(gè)懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值。d、e、f三個(gè)小圖表示激勵(lì)加速度有效值為0.5g時(shí)，三個(gè)懸臂梁在x、y、z方向輸出的電壓均方值。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。三維壓電懸臂梁振動(dòng)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(gè)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(gè)壓電片所產(chǎn)生的電能通過(guò)整流穩(wěn)壓電路和儲(chǔ)能元件，進(jìn)行電能的輸出與存儲(chǔ)；第二永磁鐵與第一、第三永磁鐵相對(duì)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(gè)永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。

設(shè)置的三個(gè)永磁鐵之間的間距相等，并且在工作過(guò)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(jìn)行調(diào)整。

懸臂梁為薄片結(jié)構(gòu)，定義相對(duì)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(gè)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(jì)算并實(shí)驗(yàn)確定。

作為實(shí)施例，第二永磁鐵s極與第一永磁鐵s極對(duì)應(yīng)；第二永磁鐵n極與第三永磁鐵n極相對(duì)應(yīng)。三個(gè)懸臂梁的固定端距離直角基座墻面2mm。每個(gè)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(zhǎng)條狀。結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)度(不包括固定在直角基座內(nèi)部長(zhǎng)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(zhǎng)5mm，寬8mm，高15mm。三個(gè)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(zhǎng)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(tái)上進(jìn)行不同方向和強(qiáng)度激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，為了說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施效果，圖3至圖5給出了不同激勵(lì)加速度下，通過(guò)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(gè)圖給出激勵(lì)的加速度有效值為0.05g，三個(gè)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(gè)圖給出的激勵(lì)加速度有效值為0.5g，三個(gè)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(gè)圖給出激勵(lì)的加速度有效值為0.05g，三個(gè)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(gè)圖給出的激勵(lì)加速度有效值為0.5g，三個(gè)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(gè)圖給出激勵(lì)的加速度有效值為0.05g，三個(gè)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(gè)圖給出激勵(lì)的加速度有效值為0.5g，三個(gè)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(gè)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(dòng)激勵(lì)背景的場(chǎng)合，即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量采集和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。