本发明专利技术公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体，所述壳体内的中央固定有一圆柱体夹具，所述夹具上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，呈环形阵列；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片压电悬臂梁，粘贴在梁上下两面的第一压电层和第二压电层，梁自由端所设的第一永久磁铁以及在同侧壳体内壁上与第一永久磁铁磁极相对放置的第二永久磁铁；所述第一第二压电层的上下两面均分别设有电极；八个双稳态压电悬臂振子结构呈两两对称地布置；相互对称的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致。本发明专利技术装置的工作频域宽，发电效率和单位时间的发电量较单一压电悬臂梁结构及列阵式线性压电悬臂梁结构明显提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，可有效收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。
技术介绍
随着MEMS和便携式电子设备的应用日益广泛，使用化学电池供电的传统方式暴露出诸多弊端，如寿命短、需要定期更换、污染环境等；尤其对于工作条件苛刻或在人类难以接近的地方使用的电子设备而言，更换电池成本颇高且难以实现；因此，如何为这些电子设备供电已成为亟待解决的问题。利用压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动能转化成电能，以实现电子设备的自供能。悬臂式压电振子因其振动频率低、能量转化率高且易于集成化而备受关注。中国 专利(公开号CN101262189A)公开了一种双晶悬臂式压电发电装置以收集弯曲振动能量转化为电能，中国专利(公开号CN102420542A)公开了一种单晶片悬臂式压电振动发电机，将压电层和弹性梁的有效长度比值调整为O. 66，提高了发电机的开路输出功率。上述悬臂式发电装置，当其振动最大时，压电片变形最大，此时产生的电量最多。这便要求外激励和悬臂梁的固有频率尽量保持一致。然而环境中的振动源振动频率往往是不稳定的，因此这种装置很难实现与环境振动频率的良好匹配，能量转化效率低、发电量小。为了提高发电效率，中国专利(公开号CN102412757A)提出一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机，通过调节悬臂梁端部质量块的位置改变悬臂梁的有效刚度，以调节压电发电机的基频共振频率使之与激励频率匹配，但这种方式在实际应用中较难实现。中国专利(公开号CN101272109A)和(公开号CN102148587A)分别公布了一种多悬臂梁式和多悬臂板式的压电发电装置，拓宽了压电发电装置的共振频带，但此类阵列式发电装置各压电振子无法同时工作，要达到足够的带宽则需要多个悬臂梁，导致结构体积较大，难以实现微型化。美国专利(公开号W02010151738A3 )和中国专利(公开号CN102064745A)公开了一类双稳态压电悬臂梁发电装置，有效拓宽了悬臂梁的共振频带，但其带宽范围仍是有限的，一旦环境频率偏离压电悬臂振子的共振频带范围，发电装置的响应敏感度则会下降，无法充分吸收环境中的振动能。
技术实现思路
针对目前压电悬臂梁发电装置环境适应性差、发电效率低、单位时间内发电量小的问题，为了使压电发电装置能更适应环境中随机、宽带、低频的小幅振动源，本专利技术提供一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，通过改进结构设计，使之具有更宽的工作频率带，同时提高单位时间的发电量，优化提升发电装置的综合性能。为了解决上述技术问题，本专利技术双稳态复合悬臂梁压电发电装置予以实现的技术方案是包括壳体，所述壳体内的中央位置固定有一圆柱体夹具，所述圆柱体夹具上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，所述八个双稳态压电悬臂振子结构呈环形阵列；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片压电悬臂梁，所述双晶片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的质量相同，且按照磁极相对放置；所述双晶片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，所述第一压电层、第二压电层和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为O. 6，第一压电层和第一压电层的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层和第二压电层的上下两面均分别设有电极；装夹在圆柱体夹具上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子 的结构参数一致，相邻布置的双稳态压电悬臂振子的结构参数不同。进一步讲，本专利技术双稳态复合悬臂梁压电发电装置，其中，每个双晶片压电悬臂梁上的第一压电层和第二压电层之间采用串联或并联连接。将环形阵列的八个双稳态压电悬臂振子结构按照沿环形相邻四个为一组的方式分为两组，每组包括的四个压电悬臂振子串联连接，两组之间则并联连接。所述双稳态压电悬臂振子的结构参数包括双晶片压电悬臂梁的尺寸和第一永久磁铁和第二永久磁铁的质量。所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种。所述第一压电层和第二压电层中压电材料选用PZT和PVDF中的一种。所述电极由钼金镀层或银镀层构成，所述电极设有引出导线。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是(I)利用双稳态压电发电系统固有的非线性特性，在环境振动激励和磁力的共同作用下使压电悬臂梁振子发生随机共振，与传统压电悬臂梁振子相比，双稳态系统具有较宽的谐振频带和较大响应幅值，正符合环境中随机、宽频弱激励的特点，从而提高发电效率。(2)本专利技术由八个结构参数不尽相同的双稳态压电悬臂梁振子组成，导致其对应的谐振频带也不尽相同，从而使整个发电装置具有更宽的工作频率；同时，对称安置的压电振子具有相同结构参数的设计使得当外界环境的振动频率落在本发电装置的谐振频带内时，至少会有两个发电振子同时工作，从而有效提高单位时间内装置的发电量。附图说明图I是本专利技术中双稳态压电悬臂振子结构的侧视图；图2是本专利技术双稳态复合悬臂梁压电发电装置的立体结构示意图；图3是图2所示双稳态复合悬臂梁压电发电装置的俯视图；图4是同一个双稳态压电悬臂振子结构中第一、第二永久磁铁间排斥力作用示意图；图5是本专利技术双稳态压电悬臂梁振子的非线性势能函数图。图中I-双晶片压电悬臂梁 2-第一压电层3-第二压电层4-电极5-导线6-第一永久磁块7-第二永久磁块8-壳体9-圆柱体夹具具体实施例方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细地描述。如图2和图3所示，本专利技术双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体8，所述壳体8内的中央位置固定有一圆柱体夹具9，所述圆柱体夹具9上均布有八个双稳态压电悬臂振子，所述八个双稳态压电悬臂振子呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子包括固定在夹具上的一双晶片压电悬臂梁1，所述双晶片压电悬臂梁I的自由端设有第一永久磁铁6，在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁6同一水平位置处固定有第二永久磁铁7 ;所述双晶片压电悬臂梁I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2和第二压电层3，所述弹性梁的材料选用铝、铜和单晶硅中的一种，所述第一压电层2和第二压电层3中压电材料选用PZT和PVDF中的一种；所述第一压电层2、第二压电层3和弹性梁的宽度相 等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为O. 6，第一压电层2和第一压电层3的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层2和第二压电层3的上下两面均分别设有电极4 ;所述第一永久磁铁6和第二永久磁铁7的质量相同，且按照磁极相对放置；装夹在圆柱体夹具9上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具9的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致，即双晶片压电悬臂梁尺寸及两个磁块的质量完全相同；但相邻布置的双稳态压电悬臂振子结构的参数不同，所述双稳态压电悬臂振子的结构参数包括双晶片压电悬臂梁I的尺寸和第一永久磁铁6和第二永久磁铁7的质量。当环境振动时，外界的机械振动通过夹紧装置带动各个双晶片压电悬臂梁发生横向振动，此时位于双晶片压电悬臂梁上下表面的第一、第二压电层发生形变产生电荷。本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，包括壳体（8），其特征在于，所述壳体（8）内的中央位置固定有一圆柱体夹具（9），所述圆柱体夹具（9）上均布有八个双稳态压电悬臂振子结构，所述八个双稳态压电悬臂振子结构呈环形阵列；所述双稳态压电悬臂振子结构包括固定在圆柱体夹具上的一双晶片压电悬臂梁（1），所述双晶片压电悬臂梁（1）的自由端设有第一永久磁铁（6），在同侧的壳体内壁上、且与所述第一永久磁铁（6）同一水平位置处固定有第二永久磁铁（7），所述第一永久磁铁（6）和第二永久磁铁（7）的质量相同，且按照磁极相对放置；所述双晶片压电悬臂梁（1）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（2）和第二压电层（3），所述第一压电层（2）、第二压电层（3）和弹性梁的宽度相等，第一压电层和第二压电层的长度相等、且与弹性梁的长度之比为0.6，第一压电层（2）和第一压电层（3）的同一端均与弹性梁的根部对齐；第一压电层（2）和第二压电层（3）的上下两面均分别设有电极（4）；装夹在圆柱体夹具（9）上的八个双稳态压电悬臂振子结构，呈两两相对于圆柱体夹具（9）的中心线对称地布置；相互对称布置的两个双稳态压电悬臂振子结构的参数一致，相邻布置的双稳态压电悬臂振子结构的参数不同。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹树谦，郭抗抗，孙舒，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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