分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法

2023-06-04 18:57:21

專利名稱：分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法
技術領域：
本發明涉及一種分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法，屬於微型電源技術領域。
背景技術：
CMOS電路尺寸的減小和功耗的降低，尤其是超低功耗電子學的發展，極大地促進了無線傳感器、可植入式電子系統、可穿戴式電子系統、可攜式電子系統等的發展。這些系統有些是分布式的，但是這些微電子產品苛刻的工作條件使得傳統的電池和有線電源等供電方式難以滿足其對電源的特殊需要，在某些情況下很難甚至無法更換電池，比如內嵌入到混泥土結構內部的無線傳感器節點比如具有成千上萬個無線傳感器節點的無線傳感器網。有些是是可攜式的，需要自帶電源。有些是移動式的，在某些條件下更換電池需要大量的人力、財力和物力，比如植入到野生動物身體內的全球定位系統跟蹤設備。這就迫切需要這些系統自身能夠產生電能給自己供電。得益於低功率超大規模集成電路的發展，電子產品的功耗已經降到數十毫瓦到數百毫瓦。這就使得回收環境中的振動能量以替代電池或給電池充電而驅動電子系統成為可能，這種方式將延長電池的供電時間，在理想的情況下甚至可以提供不盡的電能，增強了系統的可靠性，以及降低了系統的維護成本。基於這些因素，在過去的幾年裡，振動發電方面的研究受到了極大的關注。現有技術中，微型振動發電機採用d31型壓電懸臂梁作為能量收集元件。此類發電機利用懸臂梁的共振模態回收外界能量，其帶寬較窄，能量利用率不高。現有技術中，若需要增加峰的數目需要將懸臂梁發電機陣列式排列，由此會需要多個儲能元件(壓電陶瓷)，造成電能管理上的困難。因此，確有必要對現有技術進行改進以解決現有技術之不足。

發明內容
本發明提供一種分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法，該發電機通過把分叉集成在同一懸臂梁的不同部位，以改善發電機的頻域響應特性，且只使用一片壓電元件，易於
電能管理。本發明採用如下技術方案:一種分叉式懸臂梁振動發電機，其包括有懸臂梁及設置於所述懸臂梁根部的壓電元件，所述分叉式懸臂梁振動發電機還包括有設置在所述懸臂梁上的分叉及設置於所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數量至少為一個。所述分叉設置於所述懸臂梁的單側。所述分叉設置於所述懸臂梁的兩側。所述分叉的材料，形狀，長度相同或不同。所述分叉對稱設置於所述懸臂梁的兩側。

所述分叉非對稱設置於所述懸臂梁的兩側。所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
本發明還採用如下技術方案:一種分叉式懸臂梁振動發電機的發電方法，其包括有如下步驟:將懸臂梁無配重一端固定在外界激勵上，外界激勵下振動發電機上下振動，壓電元件出現伸縮形變，利用壓電效應，在壓電元件中產生了交流電壓；利用不同分叉所具有的不同共振頻率，充分回收具有多種頻率分量的環境振動能量。所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。本發明具有如下有益效果:本發明分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法，通過把一個壓電元件，多個分叉及懸臂梁集成在一起，產生發電機的多個共振點，改善其頻率響應特性。懸臂梁無配重一端固定在外界激勵上，其兩側或單側分布不同長度的分叉。壓電元件粘貼在懸臂梁的根部上。當此振動發電機上下振動時，壓電元件因拉伸和收縮而發電。使得該振動發電機充分回收具有多種頻率的環境振動能量，從而改善了發電機的頻域響應特性。


圖1為分叉式懸臂梁振動發電機的正面結構示意圖。圖2為圖1所示的分叉式懸臂梁振動發電機的反面結構示意圖。圖3為本發明所列舉實施例中開路電壓有效值-頻率分布結果圖。其中: 1-壓電元件、2-懸臂梁、3-第一分叉、4-第二分叉、5-第三分叉、6-第四分叉、7-第五分叉、8-第六分叉、9-配重。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明。請結合圖1至圖2所示，本發明分叉式懸臂梁振動發電機包括有懸臂梁2，第一分叉3、第二分叉4、第三分叉5、第四分叉6、第五分叉7、第六分叉8，設置(粘貼)於懸臂梁2根部的壓電元件I及設置(粘貼)於前述分叉3、4、5、6、7、8和懸臂梁2的端部的配重9。所述分叉式懸臂梁振動發電機的中分叉的數量至少為一個，且前述分叉3、4、5、6、7、8可設置在懸臂梁的單側或兩側，且分叉3、4、5、6、7、8可對稱放置或非對稱放置。同時分叉3、4、5、
6、7、8固定在懸臂梁2上的位置，角度均可調整。進一步的，分叉3、4、5、6、7、8的材料，形狀，長度可相同，可不同。更進一步的，粘貼於前述分叉3、4、5、6、7、8和懸臂梁2的端部的各個配重9的尺寸，形狀，材料可相同，可不同。下面藉助於一個實施例說明本發明分叉式懸臂梁振動發電機及其發電方法，下述實施例中，壓電元件I的尺寸為10*5*lmm，壓電元件I左端粘貼於距離懸臂梁2左端23mm處，居中放置，懸臂梁2的尺寸為70*12*0.2mm，第一分叉3的尺寸為71*8*0.2mm，固定於左端距離懸臂梁2左端53mm處，第二分叉4的尺寸為55*8*0.2mm,固定於左端距離懸臂梁2左端42mm處,第三分叉5的尺寸為45*8*0.2mm,固定於左端距離懸臂梁2左端31mm處,第四分叉6的尺寸為90*8*0.2mm,固定於左端距離懸臂梁2左端53mm處，第五分叉7的尺寸為62*8*0.2mm,固定於左端距離懸臂梁2左端42mm處,第六分叉8的尺寸為50*8*0.2mm,固定於左端距離懸臂梁2左端31mm處，材料為銅，分叉3、4、5、6、7、8與懸臂梁2夾角固定為60°，配重9的尺寸為8*6*4mm，固定於懸臂梁2及分叉3、4、5、6、7、8端部，材料為鋼。懸臂梁2無配重一端固定在外界激勵上。固定振幅為0.4mm，採用正弦激勵。壓電元件I作為能量收集元件，在外界激勵下振動時，壓電片出現形變，由於壓電效應，在壓電元件中產生了交流電壓。試驗中開路電壓有效值-頻率分布結果如圖3所示。通過上述實施例，可以發現，由於分叉式懸臂梁發電機具有多個彎曲振動模態，所以可以彌補傳統懸臂梁發電機發電功率-激勵頻率曲線上只有單個峰值的不足，隨著分叉數量的增加，發電機發電功率-激勵頻率曲線上的數量隨之增加。以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照 本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種分叉式懸臂梁振動發電機，其包括有懸臂梁及設置於所述懸臂梁根部的壓電元件，其特徵在於:所述分叉式懸臂梁振動發電機還包括有設置在所述懸臂梁上的分叉及設置於所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數量至少為一個。
2.如權利要求1所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述分叉設置於所述懸臂梁的單側。
3.如權利要求1所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述分叉設置於所述懸臂梁的兩側。
4.如權利要求1-3任意一項所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述分叉的材料，形狀，長度相同或不同。
5.如權利要求3所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述分叉非對稱設置於所述懸臂梁的兩側。
6.如權利要求3所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述分叉對稱設置於所述懸臂梁的兩側。
7.如權利要求1所述的分叉式懸臂梁振動發電機，其特徵在於:所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
8.—種如權利要求1所述的分叉式懸臂梁振動發電機的發電方法，其特徵在於:將懸臂梁無配重一端固定在外界激勵上，外界激勵下振動發電機上下振動，壓電元件出現伸縮形變，利用壓電效應，在壓電元件中產生了交流電壓；利用不同分叉所具有的不同共振頻率，充分回收具有多種頻率分量的環境振動能量。
9.如權利要求8所述的 分叉式懸臂梁振動發電機的發電方法，其特徵在於:所述配重的尺寸，形狀，材料相同或不同。
全文摘要
一種分叉式懸臂梁振動發電機，其包括有懸臂梁及設置於所述懸臂梁根部的工作在拉伸壓縮模態的壓電元件,所述分叉式懸臂梁振動發電機還包括有設置在所述懸臂梁上的分叉及設置於所述分叉和懸臂梁的端部的配重，所述分叉的數量至少為一個，該發電機通過把分叉集成在同一懸臂梁的不同部位，以提高發電機的頻域響應特性，且只使用一片壓電元件，易於電能管理。
文檔編號H02N2/18GK103227586SQ20131012574
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者胡俊輝, 張廣成 申請人:南京航空航天大學