一種非接觸激勵的多維振動能量採集器的製作方法
2023-07-05 21:08:01
專利名稱：一種非接觸激勵的多維振動能量採集器的製作方法
技術領域：
本發明屬於新能源和發電技術領域，具體涉及非接觸激勵的多維振動能量採集器，用於低頻、大振幅、多方向的振動能量收集。
背景技術：
為滿足微功率電子產品及微小型遠程傳感及埋植監測系統的自供電需求、避免大量廢棄電池汙染環境，基於電磁、靜電、熱電、電容、及壓電等原理的微小型能量採集器的研究已經成為國內外的前沿熱點。各類能量採集器都有其自身的優勢和適用領域，壓電式振動能量採集器的優勢在於結構簡單、易於製作和實現結構上的微小化與集成化等，故適用範圍更廣，現已逐步用於傳感器、健康監測及無線發射系統等領域。在利用壓電材料回收振動能發電方面，國內外均有較多專利申請，早期的能量採集器結構多為單體的懸臂梁和圓形壓電振子，目前也出現了由多個壓電振子構成能量採集器，目的是增加壓電能量採集器的有效頻帶寬度、或實現多個振動方向振動能量收集。如，中國發明專利201010601354. 3提出一種多個懸臂梁壓電振子構成的蒲公英式能量採集器，可實現縱向振動和一個水平方向的振動能量回收；中國專利200810106046. 6提出一種不同長度懸臂梁壓電振子構成的寬頻帶壓電能量採集器，等等。眾所周知，僅當壓電振子固有頻率與環境振動頻率相等時壓電能量採集器才有較大的發電能力和較高的能量效率。但因壓電振子的諧振頻率通常較高，達幾百或幾千赫茲，而環境振動頻率通常僅為幾十赫茲，因此直接利用壓電振子收集環境振動能量的效果並不顯著。為降低壓電振子的固有頻率，目前採用的方法是在壓電振子上安裝質量塊，當所安裝的質量塊較大時，非工作狀態下壓電振子既已產生較大變形，工作過程中也會因變形過大而損毀。可見，現有壓電振動能量採集器自身頻帶窄、固有頻率高及振動能量回收方向單一依然是制約實際應用的技術瓶頸。
發明內容
本發明提供一種非接觸激勵的多維振動能量採集器，以解決現有發電裝置固有頻率高、大振幅振動損毀、無法收集多方向振動能量等問題。本發明採用的實施方案是殼體上頂面及下底面分別設有用於固定壓電振子的連接座，該壓電振子用螺釘固定在所述的連接座上；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，其端部安裝有磁鐵；殼體的上頂面安裝有拉簧、下底面安裝有壓簧，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連結，所述質量塊的周圍鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊上的磁鐵的同性磁極相對安裝。本發明一種實施方式中，固定於殼體上頂面和下底面上的壓電振子的長度不相
坐寸o本發明一種實施方式中，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為1-20 個。
本發明一種實施方式中，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為4 12個。
本發明一種實施方式中，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為6個。在本發明中，一個殼體、兩組端部安裝有磁鐵的懸臂梁壓電振子、一個鑲嵌有磁鐵的質量塊、兩個將質量塊和殼體相連接的彈簧共同構成發電裝置。在自然狀態下，質量塊在彈簧力以及周邊磁鐵排斥力的作用下靜止不動，質量塊與各壓電振子之間處於相對靜止狀態。當殼體受外界任一方向振動時，質量塊位置發生變化，壓電振子上的磁鐵與質量塊上的磁鐵之間的距離和磁場力發生變化，從而引起壓電振子受力狀態和形狀的改變，並將機械能轉換成電能。本發明的特點及優勢在於①利用垂吊式質量塊加裝磁鐵的方式激勵懸臂梁壓電振子，可實現任意方向的振動能量採集質量塊自身的重力作用在彈簧上，其質量的大小對壓電振子的振動特性無直接影響，易於採用較大質量和低剛度彈簧降低能量採集器的固有頻率，可實現低頻振動能量回收壓電振子縱向安裝、水平方向振動，振動的激振力由質量塊上磁鐵的磁力變化所提供，壓電振子不至因縱向振幅過大而損毀、可靠性高。
圖I是本發明一個較佳實施例中能量採集器靜止狀態下的結構剖面示意 圖2是圖I的A-A首I]面不意 圖3是本發明一個較佳實施例中能量採集器上下振動狀態下的結構剖面示意 圖4是本發明一個較佳實施例中能量採集器水平方向振動狀態下的結構剖面示意圖。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，以安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為6個為例，殼體I的上頂面設有一組用於固定壓電振子一 2的連接座一 101、下底面設有一組用於固定壓電振子二 6的連接座二 102，壓電振子一 2和壓電振子二 6分別用螺釘固定在連接座一 101和連接座二 102上；壓電振子一 2由金屬基板一 201和壓電晶片一 202粘接而成，端部安裝有磁鐵一 10 ;壓電振子二 6由金屬基板二 601和壓電晶片二 602粘接而成，端部安裝有磁鐵二 11 ;殼體I的上頂面安裝有拉簧7、下底面安裝有壓簧4，所述拉簧7和壓簧4的另一端分別與質量塊3連結，所述質量塊3的周圍鑲嵌一組磁鐵三5 ;安裝於壓電振子一上的磁鐵一 10及安裝於壓電振子二上的磁鐵二 11與安裝在質量塊3上的磁鐵三5的同性磁極相對安裝。在上述例子中，固定於殼體上頂面和下底面上的壓電振子的長度不相等也能完成本發明。在自然狀態下，質量塊3以及安裝在所述質量塊上的磁鐵三5處於某一平衡位置，所述質量塊與各壓電振子之間保持相對靜止狀態。當殼體I受外界任一方向振動時，質量塊3以及磁鐵三5的位置發生變化，則安裝於壓電振子上的磁鐵一 10和磁鐵二 11與質量塊3上的磁鐵三5之間的距離以及各磁鐵間的排斥力發生變化，從而使壓電振子受力狀態和形狀的改變，並將機械能轉換成電能。如圖3所不,殼體I的上下振動會破壞壓電振子一 2、壓電振子二 6和質量塊3之間的相對平衡狀態殼體I以及安裝於殼體I上的壓電振子一 2和壓電振子二 6向下振動時，質量塊3以及安裝於質量塊3上的磁鐵三5因受慣性力作用響應滯後，並使壓簧4拉伸、拉簧7壓縮，進而是磁體一 10與磁鐵三5之間的距離減小、排斥力增加，增加的排斥力迫使壓電振子一 2向遠離質量塊3的方向彎曲變形；同時，磁鐵二 11與磁鐵三5之間的距離增加、排斥力降低，壓電振子6在自身彈性力的作用下恢復變形，即向靠近質量塊的方向變形。如圖4所示，殼體I在水平方向上的振動會破壞壓電振子一 2、壓電振子二 6和質量塊3之間的相對平衡狀態殼體I以及安裝於殼體I上的壓電振子一 2和壓電振子二 6向右振動時，質量塊3以及安裝於質量塊3上的磁鐵三5因受慣性力作用響應滯後，並使壓簧4和拉簧7拉伸，圖4中左側壓電振子上的磁鐵一 10及磁鐵二 11與質量塊3上的磁鐵五5之間的距離減小、排斥力增加，從而使左側的壓電振子一 2和壓電振子二 6向遠離質量塊3的方向彎曲變形，即向左彎曲變形；同時，圖4中右側壓電振子上的磁鐵一 10和磁鐵二11與質量塊3上的磁鐵五5之間的距離增加、排斥力降低，則圖4中右側壓電振子一 2和壓電振子二 6在自身彈性力的作用下恢復變形，即向左彎曲變形。
本發明實施例中安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為1-20個中除6個以外時，本領域普通技術人員依然能夠不花費創造性勞動即完成本發明。
權利要求
1.一種非接觸激勵的多維振動能量採集器，其特徵在於殼體上頂面及下底面分別設有用於固定壓電振子的連接座，該壓電振子用螺釘固定在所述的連接座上；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，其端部安裝有磁鐵；殼體的上頂面安裝有拉簧、下底面安裝有壓簧，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連結，所述質量塊的周圍鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊上的磁鐵的同性磁極相對安裝。
2.根據權利要求I所述的非接觸激勵的多維振動能量採集器，其特徵在於，固定於殼體上頂面和下底面上的壓電振子的長度不相等。
3.根據權利要求I所述的非接觸激勵的多維振動能量採集器，其特徵在於，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為1-20個。
4.根據權利要求3所述的非接觸激勵的多維振動能量採集器，其特徵在於，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為4 12個。
5.根據權利要求4所述的非接觸激勵的多維振動能量採集器，其特徵在於，安裝於殼體上頂面和下底面上的壓電振子數量分別為6個。
全文摘要
本發明涉及一種非接觸激勵的多維振動能量採集器，屬於新能源和發電技術領域。殼體上頂面及下底面分別設有用於固定壓電振子的連接座，壓電振子用螺釘固定在所述的連接座上；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，其端部安裝有磁鐵；殼體的上頂面安裝有拉簧、下底面安裝有壓簧，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連結，所述質量塊的周圍鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊上的磁鐵的同性磁極相對安裝。優點在於可實現任意方向、低頻及大振幅的振動能量採集。
文檔編號H02N2/18GK102624281SQ20121008894
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者凌榮華, 曾平, 王淑雲, 程光明, 闞君武 申請人:浙江師範大學