宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置的制作方法

本发明涉及能量回收领域，特别是一种宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置。

背景技术：

当今电子元器件主要通过传统化学电池供能，但传统化学电池存在尺寸大，寿命有限，需要更换等缺陷，与电子元件器微型化和集成化发展趋势相矛盾，传统化学电池的生产与更换所带来的环境污染也与电子元器件的绿色环保化不符。对于一些特殊应用领域例如在建筑物墙体内的无线传感器节点实现传统化学电池的更换几乎不能实现。传统化学电池的弊端日渐显露，实现电子元器件的自供能具有紧迫性和显著的意义。近些年来随着集成电路及微机电技术的日益发展，电子元器件的能耗越来越低，有些电子器件的能耗已经降低到微瓦量级。电子元器件能耗的降低为研究利用环境能源实现低能耗电子元器件供能提供了基础，从环境中收集能量实现电子元器件的自供能成为研究热点。

收集环境能源并转换为电能的技术目前主要有光伏发电技术，热电转换技术，风能发电技术，它们分别利用了环境中的太阳能，温差能和风能。但这些能量收集技术受天气、应用场合的影响较大以及自身的能量密度较低等情况所限，并不能解决电子元器件能量自供给的难题。

环境中还有一种常见的能源，即振动能，振动作为自然界常见的现象，其几乎无处不在且具有较高的能量密度，收集环境中的振动能越来越受到研究者的重视，成为研究环境能量收集技术的热点。压电材料具有较好的力电转换特性，在能量收集领域广泛应用。利用压电材料的压电效应可以有效的将振动能转换为电能。压电振动能量收集装置具有机电转换效率高，输出电压高，结构简单、发热量小、清洁环保、易于加工制作及易于集成化和微型化等诸多优点而得到了越来越多的关注。

目前较为常见的压电能量收集装置为单稳态的悬臂梁结构，研究者为了提高上述单稳态压电能量收集装置的性能对基本结构进行了很多优化，如双层压电悬臂梁，如专利CN101997444A公开了一种上下表面贴压电材料，自由端悬挂质量块的悬臂梁结构。这种能量收集装置虽然实用，但是在很多情况下由于周围环境的振动较弱或者振动频率不处于悬臂梁的固有频率范围内导致振幅较小，使压电能量收集装置的能量收集效率较低。

单稳态压电能量收集装置的通频带极窄，谐振频率高，能量采集效率低等缺陷限制了压电能量收集装置实际应用。近年来提出的非线性压电能量收集技术在一定程度上解决了这些缺陷。双稳态结构压电能量收集装置是非线性压电能量收集技术在能量收集装置结构设计上的典型运用，双稳态结构压电能量收集装置的应用性很强，压电能量收集装置采用双稳态结构不仅可以增加带宽，降低频率，还可以有效提高输出，增加能量转换效率。目前常见的双稳态结构压电能量收集装置采用双稳态屈曲梁结构，这种结构因为具有突跳特性可以产生大幅度变形，从而提高了粘接在双稳态屈曲梁表面的压电片的能量收集效率。如中国专利（公开号 CN103354434A）公开了一种双稳态压电悬臂梁发电装置，中国专利（公开号 CN201854207U）公开了一种双稳压电悬臂梁振动能量收集器。虽然这些双稳压电能量收集装置的提出推动了压电能量收集装置的实际应用进程，但是对于悬臂梁式的压电能量收集装置而言，悬臂梁结构的空间利用效率较低，整体结构不紧凑，双稳态压电悬臂梁结构虽有效拓宽了悬臂梁的共振频带，但带宽扩展的程度并不是很大。此外对于悬臂梁式的压电能量收集装置中普遍存在的问题是应变力分布不均，固定端的应变较大，而自由端应变较小，使得压电材料受力不均，不能充分发挥压电材料的潜能，降低了能量收集的效率。因此设计一种非悬臂梁式的新型双稳态结构压电能量收集装置具有较大的价值与意义。

技术实现要素：

本发明的目的是改善悬臂梁式的压电能量收集装置的缺陷，提供一种宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，该非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置具有空间利用率高，整体结构紧凑等优点。相比于悬臂梁式的压电能量收集装置不存在空间利用率较低和压电材料受力不均的问题，可充分发挥压电材料的潜能，有效的扩展结构的带宽，从而更有效地收集环境能源。

本发明是通过以下技术方案实现的：

宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：包括安装基座、设置在安装基座上的支架和柔性压电材料弹性元件，所述柔性压电材料弹性元件包括有两层导电金属薄膜、一层柔性压电材料薄膜，两层所述导电金属薄膜与所述柔性压电材料薄膜呈三明治结构，所述柔性压电材料薄膜位于夹心层；所述柔性压电材料弹性元件上端口固接有环形内永磁铁，所述支架上端固接环形外永磁铁，环形外永磁铁位于环形内永磁铁的外侧且具有间距，环形外永磁铁与环形内永磁铁位于同一水平面上，环形外永磁铁的内侧与环形内永磁铁的外侧对应的磁极相同。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述柔性压电材料弹性元件呈鼓状或波纹管状。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述柔性压电材料薄膜采用聚偏氟乙烯。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述导电金属薄膜采用铝、铜和银中的一种材料制造而成。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述导电金属薄膜的外表面附有一层弹性聚合物。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述弹性聚合物采用尼龙或橡胶。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述环形内永磁铁和环形外永磁铁采用钕铁硼环形永磁铁。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，其特征在于：所述支架的制造材料采用铜或铝。

环形内永磁铁与环形外永磁铁之间的间距应处于合适的区间内，既能保证所述的柔性压电材料弹性元件有一定的预变形，又能够使所述的环形内永磁铁在较小的外部激励下能够越过对称中心。

宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置在工作过程中利用环形内永磁铁与所述的环形外永磁铁之间的磁场力与柔性压电材料弹性元件所提供的总应力在特定的位置处大小相等，方向相反，可加大振动幅度，提高能量收集效率。

本发明的优点是：

1.本发明实用性强，采用本发明的双稳态压电能量收集装置可以用于压电能量收集，具有效率高，简单易行的特点。

2.本发明是一种非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，相比于悬臂梁式的压电能量收集装置，空间利用率更高，压电材料受力均匀，可充分发挥压电材料的潜能，有效的扩展结构的带宽，从而更有效地收集环境能源。

3.本发明是一种环境友好型能量收集装置，通过对环境能源的收集可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件供能。

4.本发明设计结构紧凑，节省空间，同时结构简单，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集。

附图说明

图 1 为本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中采用鼓状柔性压电材料弹性元件结构的主剖视图。

图 2 为本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置的支架结构的示意图。

图3 为本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中采用鼓状柔性压电材料弹性元件结构的示意图。

图 4 为本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中采用波纹管状柔性压电材料弹性元件结构的主剖视图。

图 5 为本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中采用波纹管状柔性压电材料弹性元件结构的示意图。

在所有附图中， 相同的附图标记用来表示相同的元件或结构， 其中 ：

1为安装基座；2为支架；3为鼓状柔性压电材料弹性元件；4为波纹管状柔性压电材料弹性元件；5为环形内永磁铁；6为环形外永磁铁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

图 1 是按照本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中采用鼓状柔性压电材料弹性元件结构的主剖视图。如图 1 中所示，宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，采用鼓状柔性压电材料弹性元件结构，主要包括安装基座1；支架2；鼓状柔性压电材料弹性元件3；环形内永磁铁5和环形外永磁铁6。所述的支架2和鼓状柔性压电材料弹性元件3设置在所述安装基座1上。所述支架2的制造材料采用铜或铝，其最下端固接在所述安装基座1上。所述的鼓状柔性压电材料弹性元件3在工作过程中具有向上拉升和向下压缩两种稳定状态。所述鼓状柔性压电材料弹性元件3安装在所述安装基座1的中央。所述鼓状柔性压电材料弹性元件3由两层导电金属薄膜，一层柔性压电材料薄膜和附在所述导电金属薄膜外表面的弹性聚合物组成，两层所述导电金属薄膜采用铝、铜和银中的一种材料制造，所述弹性聚合物采用尼龙或橡胶制造，所述柔性压电材料薄膜采用聚偏氟乙烯（PVDF）。两层所述导电金属薄膜，与所述柔性压电材料薄膜呈三明治结构，所述柔性压电材料薄膜位于夹心层。所述鼓状柔性压电材料弹性元件3上端口固接有环形内永磁铁5，所述支架2上端固接环形外永磁铁6。所述环形内永磁铁5和所述环形外永磁铁6的厚度和宽度均为一厘米，选用钕铁硼永磁铁环。当所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置处于静止状态时，所述环形内永磁铁5和所述环形外永磁铁6同轴且上表面与下表面处于同一水平面内。所述环形外永磁铁6的内侧与环形内永磁铁5的外侧对应的磁极相同，彼此之间产生相互排斥的永磁力。所述的环形内永磁铁5与所述的环形外永磁铁6之间的间距应处于合适的区间内，既能保证所述的鼓状柔性压电材料弹性元件3有一定的预变形，又能够使所述的环形内永磁铁5在较小的外部激励下能够越过对称中心。

所述的宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置在工作过程中利用所述的环形内永磁铁5与所述的环形外永磁铁6之间的磁场力与所述鼓状柔性压电材料弹性元件3所提供的总应力在特定的位置处大小相等，方向相反，可加大振动幅度，提高能量收集效率。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是,采用波纹管状柔性压电材料弹性元件4代替所述鼓状柔性压电材料弹性元件3作为所述宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置的主体结构。图4是按照本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置中，采用波纹管状柔性压电材料弹性元件结构的主剖视图。宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置采用波纹管状柔性压电材料弹性元件结构，主要包括安装基座1；支架2；波纹管状柔性压电材料弹性元件4；环形内永磁铁5和环形外永磁铁6。

本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置可用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集，可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件供能，是一种环境友好型能量收集装置。

本发明宽频带非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置是一种非悬臂梁式的双稳态压电能量收集装置，相比于悬臂梁式的压电能量收集装置，空间利用率更高，压电材料受力均匀，可充分发挥压电材料的潜能，有效的扩展结构的带宽，从而更有效地收集环境能源。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。