一种单摆式双稳态压电能量收集装置的制作方法

本发明能量回收领域，属于振动压电能量转换技术，主要涉及一种单摆式双稳态压电能量收集装置。

背景技术：
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随着信息互联网技术和传感器技术的发展，分布式无线传感器网络对能源供给模块提出了更高的要求。目前，大部分便携式电子设备和无线传感器都是采用电池供电的,在一些特殊场合,传感器节点的供电电源无法实现更换。因此,寻找一种更方便、有效、安全的微型储能器件代替传统电池,成为近年来研究的热点。

近年来能量收集技术发展迅速，产生了多种可以将环境中的能量转换为电能的能量收集技术，能量收集技术的发展与其应用环境和能量供给方式密切相关，不同能量收集技术的供能水平也参差不齐。光电能量转化是最成熟的技术之一，通过阳光照射到高纯单晶硅光电池上，可以达到20%的转化效率，产生数μW 至kW 量级的电能输出，常应用于MEMS静电执行器、PDA、卫星、照明和加热器等，但是这种转化受到光照条件的限制，在光线较弱和无光环境下难以使用。热能是自然界普遍存在的另一种能源，将热电偶放置在热梯度空间时，可产生电能，如应用于可穿戴设备上的自供能装置，利用热应变材料在一定温差范围内发生相变，热膨胀系数显著增加的特点，将热应变材料与电活性复合，实现热应力到电能的转换。然而，热电转化效率低,并且需要较大温差，在一般的环境中很难应用。

振动作为自然界常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度，振动式微型能量采集装置可通过机电转换材料将外部的振动能转换成电能，具有很好的应用前景。振动压电能量收集技术具有较高的功率密度和更加简单的结构，易于集成与微型化，符合电子元器件的发展趋势，在能量回收领域得到了广泛应用。如中国专利（公开号CN204190649U）公开了一种轴向弹簧振动压板式的压电能量采集器；如中国专利（公开号CNCN105305879A）公开了一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器。这些专利都是利用弹簧、悬臂梁等金属结构的弹性变形来带动压电材料变形，从而产生电能。在这些金属结构发生变形的过程中，不可避免的会产生金属晶格间的内摩擦，导致振动能的损失，从而加快振动的衰减，在弹性振子数量不增加的情况下，能量采集效率无法得到有效提高。这类结构的工作频带普遍较窄，且结构中的压电材料自身变形量也较小，发电量有限。

技术实现要素：
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本发明目的就是为了弥补普通弹簧、悬臂梁等结构的压电能量收集装置工作频带窄、压电材料变形量小、作为变形传动机构的弹性金属在振动时会产生晶格间内摩擦等缺陷，提供一种单摆式双稳态压电能量收集装置，该装置具有工作频带宽、振动幅度大、压电材料变形量大且变形传动机构自身基本不产生内摩擦、振动衰减速度慢、能量采集效率高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单摆式双稳态压电能量收集装置，其特征在于：包括外壳、磁铁、单摆、柔性压电材料弹性元件；所述单摆通过转轴固定在外壳上，所述磁铁包括有磁性相斥的上、下磁铁，所述单摆底端的横杆上套装有上磁铁，所述上磁铁与横杆配合且可绕其自由转动，所述单摆正下方的外壳底部安装有下磁铁，所述柔性压电材料弹性元件呈波纹状，其中部绕过上磁铁，两端固定在外壳底部且位于下磁铁的两侧。

所述的外壳前后两面的上端相对应位置处开有用于安装转轴的相同大小的圆形通孔，所述外壳的材料为铜或铝。

所述的单摆是一个方形框，所述单摆的上边框两端通过转轴与外壳上部通孔相配合，所述单摆的下边框为圆柱形横杆。

所述的单摆材料为铝合金或其它轻质金属合金。

所述的上磁铁为圆筒形磁铁，所述下磁铁为半圆柱形磁铁，其均沿轴向磁化，所述上磁铁和下磁铁采用钕铁硼永磁铁。

所述的柔性压电材料弹性元件由两层弹性薄膜和一层柔性压电材料薄膜组成，所述的柔性压电材料薄膜夹在两层所述的弹性薄膜中间。

所述的弹性薄膜采用硅胶膜，所述的柔性压电材料薄膜采用聚偏氟乙烯。

其原理是单摆感受外界激励并摆动，同时带动柔性压电材料弹性元件伸长和缩短，压电材料产生电能通过电极端引线输出。在单摆摆动过程中，柔性压电材料弹性元件的拉力和下方半圆柱形磁铁的斥力会在左右两个特定的位置处相平衡，产生双稳态的振动，从而加大单摆的摆动幅度，增大柔性压电材料弹性元件的变形量，增大系统带宽，提高能量收集效率。

本发明的优点是：

1.本发明实用性强，通过对环境中的振动能量进行收集可不消耗任何化石能源为便携式电子设备、无线传感器等低功耗的微电子器件供能，是一种环境友好型能量收集装置。

2.本发明采用了单摆结构，与普通弹簧、悬臂梁等结构的压电能量收集装置相比，单摆作为变形传动机构，在摆动过程中其自身基本不产生晶格间的内摩擦，减小了机械能向热能的转化，减小了振动能的损失，从而减缓振动衰减速度。

3.本发明是一种双稳态结构，利用单摆在摆动过程中柔性压电材料弹性元件的拉力和下方半圆柱形磁铁的斥力在左右两个特定的位置处相平衡，产生双稳态的振动，可加大单摆的摆动幅度，增大柔性压电材料弹性元件的变形量，增大系统带宽，提高能量收集效率。

附图说明：

图 1 为本发明单摆式双稳态压电能量收集装置的主视图。

图 2为本发明单摆式双稳态压电能量收集装置的整体空间结构示意图。

图 3为本发明装置中单摆运动到左边稳态位置时，圆筒形磁铁的受力图。

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为外壳；2为转轴；3为单摆；4为圆筒形磁铁；5为半圆柱形磁铁；6为柔性压电材料弹性元件。

具体实施方式：

参见附图。

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。

具体实施方式：

一种单摆式双稳态压电能量收集装置，包括外壳1、转轴2、单摆3、圆筒形磁铁4、半圆柱形磁铁5、柔性压电材料弹性元件6；外壳1的形状可选择长方体，前后两面的上端相同位置处开有相同大小的圆形通孔，材料可使用铜或铝；单摆3是一个方形框，材料可使用铝合金等轻质金属或合金，单摆3的上边框两端通过转轴2与外壳1的前后两通孔相配合，单摆3的下边框为圆柱形横杆，其外部套着圆筒形磁铁4，圆筒形磁铁4与圆柱形横杆相配合并且可绕圆柱形横杆自由转动；在单摆2的正下方，外壳1底部固定着半圆柱形磁铁5，圆筒形磁铁4与半圆柱形磁铁5均沿轴向磁化，其安装方向保证了两磁铁始终相斥，其材料可选用钕铁硼永磁铁；柔性压电材料弹性元件6呈波纹状，其中部绕过上方的圆筒形磁铁4，两端固定在外壳1底部，半圆柱形磁铁5的两侧；柔性压电材料弹性元件6由两层弹性薄膜和一层柔性压电材料薄膜组成，柔性压电材料薄膜夹在两层弹性薄膜中间，弹性薄膜可采用硅胶膜，柔性压电材料薄膜可采用聚偏氟乙烯（PVDF）。

图 3为本发明装置中单摆3运动到左边稳态位置时，圆筒形磁铁4的受力图。如图3中所示，忽略重力影响，此时圆筒形磁铁4受到半圆柱形磁铁5的斥力F₁，受到柔性压电材料弹性元件6的拉力F₂ 和F₃，F₂ 与F₃的合力刚好和F₁相平衡，因此这一位置是单摆运动轨迹中的左端稳态位置，由于本发明装置的为左右对称结构，因此右边对称位置处即为单摆运动轨迹中的右端稳态位置。

本发明装置利用单摆在摆动过程中，柔性压电材料弹性元件的拉力和下方半圆柱形磁铁的斥力在左右两个特定的位置处相平衡，产生双稳态的振动，可加大单摆的摆动幅度，增大柔性压电材料弹性元件的变形量，增大系统带宽，在很大程度上提高了能量收集效率。

本发明采用了单摆结构，与普通弹簧、悬臂梁等结构的压电能量收集装置相比，单摆作为变形传动机构，在摆动过程中其自身基本不产生晶格间的内摩擦，减小了机械能向热能的转化，减小了振动能的损失，从而减缓振动衰减速度，能更有效地收集环境中的振动能。

本发明单摆式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采能和供能，是一种环境友好型能量收集装置。

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。