一种基于多稳态的压电俘能器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于多稳态的压电俘能器，包括主压电梁、弯曲压电梁和弹簧，在主压电梁的上下表面对称黏贴有第一压电片，主压电梁上指向弯曲压电梁弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁，其另一端搭接在弹簧的顶端，两个第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置，弯曲压电梁的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片，弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁，两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片，位于主压电梁某一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为同极相斥状态布置，而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置。本实用新型专利技术中多稳态的设计和弯曲压电梁的使用发电效率明显提高。

A piezoelectric trap based on multistable state

The utility model discloses a piezoelectric trapper based on Multi-steady state, which comprises a main piezoelectric beam, a bending piezoelectric beam and a spring. The first piezoelectric plate is symmetrically attached to the upper and lower surfaces of the main piezoelectric beam. The first vibration magnet is symmetrically placed on the upper and lower surfaces of one end of the bending part of the bending piezoelectric beam, and the other end is overlapped at the top of the spring, and two first vibration magnets are attached to the upper and lower surfaces of the bending The opposite plane is arranged in the state of heteropolar attraction. The bending inner surface of the bending piezoelectric beam is pasted with a second piezoelectric sheet, the two ends of the bending piezoelectric beam are symmetrically placed with a second vibration magnet on the inner surface, the two ends are symmetrically pasted with a third piezoelectric sheet on the outer side, and the second vibration magnet on one side of the main piezoelectric beam and the first vibration magnet are arranged in the state of homopolar repulsion on the opposite side. The second vibration magnet on the other side of the main piezoelectric beam and the first vibration magnet are arranged in the opposite polar phase. The design of multi-stable state and the use of bending piezoelectric beams in the utility model significantly improve the power generation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多稳态的压电俘能器
本技术涉及节能技术及再生环保新能源
，具体涉及一种基于多稳态的压电俘能器，可有效收集周围环境的随机振动机械能进行发电。
技术介绍
目前，大多数的低功率器件（如无线传感器和发射器，医疗植入传感器，便携式电子设备）都依赖电化学电池供电。但是，电化学电池具有寿命短、成本高及处理废旧电池带来的环境污染等问题，所以研究人员正积极寻找一种新的能源以代替电化学电池为低功率器件供电。另外，微电子技术的不断发展大大降低了低功率器件的能耗，因而，从周围环境中收集能量以驱动低功率器件变得更加可行。从周围环境中可收集的能量主要包括太阳能、热能和机械能。其中，机械能，尤其是振动能在周围环境中分布广泛。在机械能向电能转换的多种途径中，压电俘能器具有结构简单、阻抗小、输出电流大等优点而备受关注。但是现有压电振动发电装置存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的缺陷。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于多稳态的压电俘能器，能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动，提高能量回收效率。为解决上述技术问题，本技术提供了一种基于多稳态的压电俘能器，其特征是，包括主压电梁、弯曲压电梁和弹簧，主压电梁位于弯曲压电梁的弯曲侧且主压电梁的一端指向弯曲压电梁的弯曲部，在主压电梁的上下表面对称黏贴有第一压电片，主压电梁上指向弯曲压电梁弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁，其另一端搭接在弹簧的顶端以随弹簧振动，两个第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置，弯曲压电梁的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片，弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁，相应的，两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片，位于主压电梁某一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为同极相斥状态布置，而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置。优选的，弹簧谐振频率与主压电梁谐振频率成倍数关系。优选的，弹簧的谐振频率与环境激励频率成倍数关系。优选的，弯曲压电梁弯曲程度小于180°。优选的，位于主压电梁上表面的第一压电片与下表面的第一压电片之间采用串联或并联结构。优选的，第二压电片与第三压电片之间采用串联或并联结构。优选的，第一压电片、第二压电片和第三压电片材料为PZT系列。优选的，弯曲压电梁和主压电梁材料为弹性材料。与现有技术相比，本技术所达到的有益效果是：1）采用弹簧一方面可以对基础低幅值激励进行一级放大，从而满足主压电梁的谐振频率，提高能量采集器的输出性能；另一方面设计弹簧、主压电梁尺寸以满足弹簧频率与主压电梁频率、弹簧的谐振频率与环境频率成倍数关系，使得弹簧与主压电梁形成共振、弹簧对环境成倍数放大。2）采用弯曲压电梁与第二振动磁铁组合，一方面可以与第一振动磁铁配合形成多稳态形式，以提高振动幅度从而提高发电效率；另一方面弯曲压电梁的加入不仅不会影响主压电梁的发电效果，还能在原有基础上增加发电途径，增加发电量。3）采用第二振动磁铁与第一振动磁铁之间上半部分相斥、下半部分相吸的结构，确保主压电梁和弯曲压电梁振动幅度的最大化；同时形成多稳态结构，提高发电效率。4）弯曲压电梁弯曲程度小于180°，与第二压电片之间的黏合方法为内侧完整紧贴、外侧以凸起中点为中心分上下两部分黏贴第三压电片，保证压电片初始弯曲幅度的最小化，增加压电片的使用寿命。附图说明图1是本技术压电俘能器的结构示意图；图2是本技术压电俘能器的主压电梁结构示意图；图3是本技术压电俘能器的弯曲压电梁与第二振动磁铁的结构示意图；图4是本技术压电俘能器的弯曲压电梁的结构示意图；图5是本技术压电俘能器的低频段振动产生电压与现有技术中基础压电悬臂梁振动、传统多稳态压电悬臂梁产生电压比较波形图；图6是本技术压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间不同距离对电压影响仿真图；图7是本技术压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间三种典型距离对电压影响仿真图；图8是本技术压电俘能器的第一振动磁铁与第二振动磁铁之间最优距离仿真图。附图标记：1、主压电梁；2、弯曲压电梁；3、第一压电片；4、弹簧；5、第一振动磁铁；6、第二振动磁铁；7、第二压电片；8、第三压电片。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。在本技术专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。在本技术专利的描述中，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技术专利和简化描述，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技术专利的限制。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。在本技术专利的描述中，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技术专利中的具体含义。本技术的一种基于多稳态的压电俘能器，参见图1至图4所示，包括主压电梁1、弯曲压电梁2和弹簧4，主压电梁1位于弯曲压电梁2的弯曲侧且主压电梁1的一端指向弯曲压电梁2的弯曲部，在主压电梁1的上下表面对称黏贴有第一压电片3，主压电梁1上指向弯曲压电梁2弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁5，其另一端搭接在弹簧4的顶端以随弹簧4振动，两个第一振动5磁铁以相对面为异极相吸状态布置，弯曲压电梁2的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片7，弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁6，相应的，两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片8，位于主压电梁1某一侧的第二振动磁铁6与第一振动磁铁5以相对面为同极相斥状态布置，而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁6与第一振动磁铁5以相对面为异极相吸状态布置。实施例本技术压电俘能器的实施例，参见图2所示，主压电梁1水平放置，主压电梁1的左端指向弯曲压电梁2的弯曲部，主压电梁1的右端搭接在弹簧4的顶部，弹簧4用来支撑主压电梁1，并且可使主压电梁1随着弹簧4进行上下振动，主压电梁1的上下两面黏贴有第一压电片3，在主压电梁1的左端上下放置有第一振动磁铁5，且两个第一振动磁铁5为异极相吸状态布置，第一振动磁铁5还可充当质量块，以降低主压电梁1谐振频率。第一压电片3并没有覆盖整个主压电梁1的上下表面，只延伸到放置有第一振动磁铁5的地方，从而确保第一振动磁铁5不会对第一压电片3造成损伤。上表面的第一压电片3和下表面的第一压电片3采用串联或并联结构。串联或并联结构是指：如果此两个压电片按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多稳态的压电俘能器，其特征是，包括主压电梁、弯曲压电梁和弹簧，主压电梁位于弯曲压电梁的弯曲侧且主压电梁的一端指向弯曲压电梁的弯曲部，在主压电梁的上下表面对称黏贴有第一压电片，主压电梁上指向弯曲压电梁弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁，其另一端搭接在弹簧的顶端以随弹簧振动，两个第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置，弯曲压电梁的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片，弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁，相应的，两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片，位于主压电梁某一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为同极相斥状态布置，而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置。

【技术特征摘要】
1.一种基于多稳态的压电俘能器，其特征是，包括主压电梁、弯曲压电梁和弹簧，主压电梁位于弯曲压电梁的弯曲侧且主压电梁的一端指向弯曲压电梁的弯曲部，在主压电梁的上下表面对称黏贴有第一压电片，主压电梁上指向弯曲压电梁弯曲部的一端的上下表面对称放置有第一振动磁铁，其另一端搭接在弹簧的顶端以随弹簧振动，两个第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置，弯曲压电梁的弯曲内侧面上黏贴有第二压电片，弯曲压电梁的两个末端内侧面上对称放置有第二振动磁铁，相应的，两个末端外侧面上对称黏贴有第三压电片，位于主压电梁某一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为同极相斥状态布置，而位于主压电梁另一侧的第二振动磁铁与第一振动磁铁以相对面为异极相吸状态布置。2.根据权利要求1所述的一种基于多稳态的压电俘能器，其特征是，弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：江兵，廖沁祎，臧鑫善，谈龙照，朱靖宇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32