基于压电振动的微型风能转换装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于将环境中的微能源风能转化为电能的装置，特别是一种将风能转化为机械振动能量，进而产生电能的基于压电振动的微型风能转换装置。属于微能源技术领域。

背景技术：

近年来发展起来的微能源技术，由于能够源源不断地收集环境中的微能量，并转化为电能，并且具有体积小、寿命长、成本低、能量密度高等显著优点，所以是解决微型器件与系统电源问题的有效途径。其中，振动式微型风能转换装置是微能源领域的研究重点，因具有上述优点，故已成为当前代表微能源的主要标志性技术。从振动能转换成电能的角度来说，主要有三种方式被广泛地采用：静电式，压电式和电磁感应。其中，压电式转换方式，由于更具有结构简单、不发热、寿命几乎无限、易于实现微小化等优点，而被认为是最有前景的一种转换方式。

国内针对压电式振动型能量转换装置的研究起步较晚，采集器的工作频率单一，频带比较窄，采集到的能量微弱等问题，也一直普遍存在。在优化微型风能转换装置的专利和论文中，主要集中在能量采集电路，对悬臂梁的横截面形状和模态的优化，然而后者需要更大的结构空间，不利于紧凑结构的实现。如专利公布号为CN103701364A的“一种风致振动宽频带压电发电装置”中，公开的技术方案：包括风扇、固定支座、旋转永磁体、旋转轴、固定永磁体、弹簧、支撑框架和至少 2 个压电发电梁，所述旋转永磁体与风扇固定于同一旋转轴上，且各旋转永磁体的N极指向旋转轴轴心，所述支撑框架通过4个相同的弹簧固定于固定支座上，各压电发电梁一端固定于支撑框架上 ；所述固定永磁体固定于支撑框架下端，且固定永磁体的 S 极指向旋转轴，所述压电发电梁由金属质量块、弹性金属薄片、上层压电片和下层压电片组成，所述金属质量块固定于弹性金属薄片自由端及弯曲处，上层压电片和下层压电片分别粘贴于弹性金属薄片的上、下两个表面。该技术方案是运用带永磁体的风扇，通过电磁力的作用实现压电悬臂梁的受迫振动，对风能进行转换；然而由于产生的电能有限，该结构需要至少两个压电发电梁，多个悬臂梁并联，结构较为复杂，占用空间较大，由于微型器件受到有限空间的限制，难以进一步扩展。另一方面，传统压电陶瓷片容易受到大变形而产生脆裂，从而限制了产生的电能输出。传统压电陶瓷片由于机电耦合系数低，只能将少量输入的振动能量转化成电能输出。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于压电振动的微型风能转换装置，解决了现有风能转换结构受有限空间的限制，传统压电片的机电耦合系数低，约束了能量转化等问题，其结构设计合理，调节方便，减少占用空间，增大压电陶瓷片的应变能力，提高机电耦合系数，增加能量获取效率，不受机械能量源的限制，充分地利用外界环境中的风能，进而拓宽了能量收集的风速频带。

本实用新型所采用的技术方案是：该基于压电振动的微型风能转换装置包括基座，组装在基座上的夹具、固定在夹具上的压电换能装置以及振动发生器，其技术要点是：所述压电换能装置由下端固定在夹具上的悬臂梁和贴附在悬臂梁上的压电陶瓷片所构成，转接臂的下臂与悬臂梁的上端固定连接，转接臂的上臂组装振动发生器，在悬臂梁的上端设置负刚度机构，负刚度机构包括三块平行布置且两两相斥的永磁体，即位于转接臂中部的连接孔内的永磁体，分别设置在转接臂两侧的连接座上的永磁体，通过转接臂将振动发生器产生的振动传递给刚度降低的悬臂梁，悬臂梁反复弯曲振动的同时，带动压电陶瓷片利用压电效应将输入的振动能转换成电能。

所述连接座各自的滑道内组装有滑套，设置在转接臂两侧的连接座上的永磁体分别固定在对应的滑套上，滑套上设置调节螺栓，通过调节螺栓的转动驱动固定在滑套上的永磁体，随着滑套沿轴向移动，调整滑套上的永磁体与转接臂中部连接孔内的永磁体之间的相对位置，改变相斥永磁体之间的斥力，使与转接臂连接的悬臂梁达到负刚度状态，加大悬臂梁振动时的振幅，带动压电陶瓷片随着反复弯曲振动产生压电效应。

贴附在悬臂梁上的所述压电陶瓷片采用压电纤维复合材料制成的压电陶瓷片。

振动发生器包括风扇和设置在风扇上的偏心配重。

悬臂梁和转接臂为一体结构。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由于本实用新型振动发生器的转接臂与压电换能装置的单个悬臂梁固定连接，为了增加能量获取效率，在悬臂梁的自由端引用了基于磁致负刚度原理设置的负刚度装置，所以其结构设计合理，减少占用空间。因单个悬臂梁一端固定在基座上，另一端自由振动，通过负刚度装置永磁体之间斥力的改变，来降低单个悬臂梁的刚度，不仅降低了对外界能量的要求，而且调节非常方便，增大了压电陶瓷片的应变能力，以提高机电耦合系数，由压电效应将振动能转换电能，故使压电陶瓷片产生足够的电能，并且不受机械能量源的限制，充分地利用外界环境中的风能，在微风的激励下都能收集能量，进而拓宽了能量收集的风速频带。因此，本实用新型解决了现有风能转换结构受有限空间的限制，传统压电陶瓷片的机电耦合系数低，约束了能量转化等问题。

附图说明

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

图1是本实用新型的一种立体结构示意图；

图2是图1的平面结构主视图；

图3是图2的侧视图；

图4是本实用新型的一种负刚度机构的结构示意图。

图5是图4中转接臂的一种立体结构示意图。

图中序号说明：1基座、2悬臂梁、3连接座、4偏心配重、5风扇、6转接臂、7调节螺栓、8压电陶瓷片、9夹具、10永磁体、11滑套、12上臂、13连接孔、14下臂。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本实用新型的具体结构。该基于压电振动的微型风能转换装置包括基座1，组装在基座1上的夹具9、固定在夹具9上的压电换能装置以及振动发生器等部件。本实施例中，基座1使用不锈钢材料，基座1上连接座3等的桁架结构具有足够的刚度和稳定性。

压电换能装置由下端固定在夹具9上的悬臂梁2和贴附在悬臂梁2上的压电陶瓷片8所构成。调节夹具9能固定不同厚度的悬臂梁2。贴附在悬臂梁2上的压电陶瓷片8采用压电纤维复合材料MFC（Macro Fiber Composite）制成。当悬臂梁2振动发生弯曲变形时，压电陶瓷片8将受到拉伸或压缩，从而将机械能转换为电能输出。现有压电陶瓷片发电能力低下的原因是产生的应变小。因为压电陶瓷片8产生的电量和悬臂梁2表面层的应变成正比，在相同弯曲的角度下，悬臂梁2越厚，压电陶瓷片8产生的电量越多；但与之同时，厚度越大刚度也越大，施加同样的力不容易使之弯曲。负刚度机构的引入使得悬臂梁2的使用能使原本高刚度的悬臂梁容易发生弯曲变形，产生更多的电量。

压电陶瓷片8采用技术成熟的纤维和聚合物基质压制而成的MFC，能在很大程度上解决传统的压电片产品在应用上存在缺陷的难题，使用的MFC是研究最多最深入的一种压电复合材料。它由三部分构成：中层的压电陶瓷沿纤维方向平行排列于一个平面内，这样的排列方式大大提高了驱动能力；上下层是交叉指形电极，提供了沿纤维方向的极化电场，使MFC有很好的机电耦合效应。上下层和中层之间使用聚合物粘接，提高了抗破坏能力，因而MFC具有很高的韧性，容易被使用在曲面结构上。

而将纤维和聚合物基质压制而成的MFC能在很大程度上解决这些难题，本实施例中使用的 MFC有很好的机电耦合效应。上下层和中层之间使用聚合物粘接，提高了抗破坏能力，因而MFC具有很高的韧性，容易被使用在曲面结构上。

振动发生器包括风扇5和设置在风扇5上的偏心配重4。本实施例在风扇5的特定叶片上添加偏心配重4使风扇5转动时产生偏心力，此偏心力的大小可由偏心配重4的大小和到转轴的距离进行调整（同时也与风速有关）。可以使用内置螺母作为偏心配重4，也可以使用其他的配重，其目的是利用风能带动风扇5的旋转运动转化为悬臂梁2的弯曲振动。转接臂6的上臂12组装振动发生器，在悬臂梁2的上端设置负刚度机构。转接臂6出于质量轻便考虑，可以使用多聚合物材料，风扇5的振动能传递到悬臂梁2，使其发生沿厚度方向的弯曲振动。转接臂6的下臂14与悬臂梁2的上端固定连接，风扇5组装在转接臂6的上臂的调节孔内，根据实际使用要求，悬臂梁2和转接臂6也可以为一体结构。

基于磁致负刚度原理设置的负刚度机构，包括三块两两相斥的永磁体10，即位于转接臂6中部的连接孔13内的永磁体10，分别设置于转接臂6两侧的连接座3上的永磁体10，并使位于中间的转接臂6上的永磁体10的极性与两侧连接座3上的永磁体10的极性两两相斥。连接座3各自的滑道内组装有滑套11，设置在转接臂6两侧连接座3上的永磁体10分别固定在对应的滑套11上。滑套11上设置调节螺栓7，通过调节螺栓7转动驱动固定在滑套11上的永磁体10，随着滑套11沿轴向移动，调整滑套11上的永磁体10与转接臂6中部连接孔13内的永磁体10之间的相对位置。从而改变相斥两块永磁体10之间的斥力，使与转接臂6连接的悬臂梁2达到负刚度状态。永磁体10之间斥力的分力对转接臂6在垂直于纸面方向起到推力的作用，可以使转接臂6及悬臂梁2在垂直于纸面方向上的刚度降低。通过转接臂6将带有偏心配重4的风扇5产生的振动从转接臂6传递给刚度降低的悬臂梁2，加大悬臂梁2振动时的振幅。悬臂梁2反复弯曲振动的同时，带动压电陶瓷片8随着反复弯曲振动，利用压电效应将输入的振动能转换成电能输出。永磁体10的距离越近，产生的斥力越强，悬臂梁2的刚度就会越低，在同样大小的不平衡力作用下可产生越大的变形。从而使得微风也能将悬臂梁2驱动起来，以使压电陶瓷片8产生足够的电压。根据使用场合可选择不同材料或尺寸的悬臂梁2，此时通过转动调节螺栓7调整永磁体10的间距，可使悬臂梁2达到负刚度。调节螺栓7用于产品出厂前的初始设置，一旦调好就不再变动。在产品批量生产后，永磁体10的间距将会设定成定值，在工作状态下保持负刚度状态。

本实施例中采用常用的元件组成一般的存储电路，该存储电路将由压电陶瓷片8输送来的交流电通过整流单元变为直流电，先为超级电容充电，当超级电容的电压达到预设值之后，再由超级电容为电池充电。利用密封盒（图中未示出），将振动发生器以外的装置密封包装，埋于地面以下，用来防雨、防潮、防尘、防虫等。产生的电能除了电路消耗之外，还能对电池持续地充电。由于无线电子耗电量小，此充电速率能足够保障电子设备的正常使用。

工作过程。首先将外界的风能转化为振动能，利用压电效应将振动能转换成电能。其次，电能管理系统将转换的随机电能进行调制转换，一部分能量直接用来驱动后续的微控制器和微传感器，另一部分能量存储起来以保证无风情况下系统的正常运转。