三维压电悬臂梁振动能量采集系统的制作方法

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种采集振动能量转换为电能的装置。

技术背景

随着微电子技术和无线技术的发展，电子设备和无线传感器进入了小型、低功耗化的时代。通常情况下，这些设备都是依靠电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。但是电池供能的缺陷在于，一是重量和体积较大，限制了用电元件的小型、微型化；二是使用寿命有限，需要频繁更换或者充电，这对于气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，是很严重的制约条件。由于能量采集器可以把自然环境中的机械能转换成电能并进行存储，可作为一种代替电池的供能方式，因此受到越来越广泛的重视。振动能也是环境中最普通的一种能源，自然环境中的振动现象无处不在，所以，振动能量采集器的研发已成为新能源研究中的一大热点。

在振动能量采集器中，压电式振动能的采集方式较为普遍，它利用压电材料的正压电效应，使压电晶体受到外界振动力的作用而引起内部电荷的流动从而输出电能。由于直线型悬臂梁结构可产生最大的挠度和柔顺系数，具有较低的谐振频率和较宽的动态范围，同时拥有结构钢度低、高灵敏度、容易通过微细加工等优点，因此压电悬臂梁式振动能量采集器成为压电式振动能量采集器的首选结构。

传统的线性或非线性压电悬臂梁式振动能量采集器，只能收集一个方向上的振动能量，但是自然环境中的振动可能来自三维空间中的任意方向，这就阻碍了该形式振动能量采集器的实际应用。而本发明的提出就可以克服这一重大缺陷，使压电悬臂梁式振动能量采集器得到广泛的应用。

技术实现要素：

为了克服常规压电悬臂梁振动能量采集器无法实现三维方向上能量采集的缺陷，本发明提出了一种三维压电悬臂梁振动能量采集系统的结构，可以在不同方向激励下均能够有效地采集振动能量，提高机电能量转换效率。

本发明的技术方案予以说明。三维压电悬臂梁振动能量采集系统具有直角基座、悬臂梁、永磁铁、压电片、整流稳压电路、以及储能元件等。在直角基座上设有三根悬臂梁，第一根悬臂梁水平固定在直角基座的立面，工作面为上下结构；第二与第三悬臂梁垂直固定在直角基座的水平面，但第二与第三悬臂梁的工作面相互垂直。在每根悬臂梁的自由端分别设有第一、第二和第三永磁铁，在每根悬臂梁的固定端的上下两个表面分别设有第一、第二和第三压电片，压电片距离直角基座的立面或水平面均为2-3mm。第二永磁铁与第一、第三永磁铁相对应的面选择极性相同的面，使其产生相互排斥力。

本发明的原理是，振动梁一端固定，另一端悬空，构成悬臂结构。第一(左侧)和第三(右侧)两个悬臂梁上的磁铁因受到中间悬臂梁上磁铁的排斥，所以该设置结构成了双稳振动梁，而第二(中间)悬臂梁同样受到两边磁铁的排斥而构成单稳振动梁。当系统受到外界任意方向随机振动激励时，左侧和右侧两悬臂梁可以形成围绕各自初始平衡位置产生双稳振荡，中间悬臂梁以单稳态形式振荡。振动会引起每个悬臂梁表面上下弯曲，使得悬臂梁表面上的压电片变形，根据正压电效应，压电片会有电荷产生，通过整流稳压电路和储能元件，便可进行电能的输出与存储。

本发明的特点和有益的效果在于：本发明的特点在于：(1)能够同时采集三维方向上的振动能量；(2)采集过程中自身结构能量损耗很低；(3)优于同类规格三维线性压电悬臂梁振动能量采集器的能量采集效果；(4)能够适应不同强度的外界激励，无需调整系统参数即可实现输出电能的优化。三维压电悬臂梁振动能量采集系统不仅结构简洁，而且对于变化的任意方向的环境随机激励振动，通过两双稳和一单稳的三梁结构模式，在结构参数固定不变情况下，将本装置放置在多维方向振动激励环境中，可以有效获取振动能量并转换为电能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为z方向结构的简化视图。

图3是x方向激励加速度分别为0.05g和0.5g时，三维振动能量采集系统各个梁输出的电压波形。

图4是y方向激励加速度分别为0.05g和0.5g时，三维振动能量采集系统各个梁输出的电压波形。

图5是z方向激励加速度分别为0.05g和0.5g时，三维振动能量采集系统各个梁输出的电压波形。

图3～图5所产生的输出电压波形，分别由a、b、c、d、e、f6个小图组成，其中a、b、c三个小图表示激励加速度有效值为0.05g时，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值。d、e、f三个小图表示激励加速度有效值为0.5g时，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。三维压电悬臂梁振动能量采集系统，其结构特征是：在直角基座4上设有三根悬臂梁，第一根悬臂梁1-1水平固定在直角基座的立面；工作面为上下结构；第二悬臂梁1-2与第三悬臂梁1-3垂直固定在直角基座的水平面，但第二与第三悬臂梁的工作面相互垂直(如图1)。在每根悬臂梁的自由端分别设有第一永磁铁2-1、第二永磁铁2-2、和第三永磁铁2-3。在每根悬臂梁固定端的上下两个工作面分别设有第一压电片3-1、第二压电片3-2和第三压电片3-3，压电片距离直角基座的立面或水平面均为2-3mm。三个压电片所产生的电能通过整流稳压电路和储能元件，进行电能的输出与存储；第二永磁铁与第一、第三永磁铁相对应的面选择极性相同的面，使其产生相互排斥力(如图2)。三根悬臂梁的形状、尺寸相同；三个永磁铁的磁感应强度相同。

设置的三个永磁铁之间的间距相等，并且在工作过程中，第二永磁铁不能与第一永磁铁和第三永磁铁发生干涉或碰撞。第一与第三悬臂梁的刚度保持一致，第二悬臂梁的刚度可进行调整。

悬臂梁为薄片结构，定义相对较宽的一侧为工作面。第一悬臂梁固定安装在直角基座的铅垂面，第二和第三悬臂梁的工作面相互垂直固定在直角基座的水平面。三个永磁铁依左、中、右梁次序呈同一水平线安装放置，永磁铁的间距需要根据系统的具体结构参数(如悬臂梁尺寸、磁铁尺寸等)计算并实验确定。

作为实施例，第二永磁铁s极与第一永磁铁s极对应；第二永磁铁n极与第三永磁铁n极相对应。三个悬臂梁的固定端距离直角基座墙面2mm。每个梁的上下两侧分别粘贴有压电片，压电片接有引线将电能输出。

悬臂梁的材料、结构一致。材料为高弹性的矽钢，形状为长条状。结构尺寸参数为：长度(不包括固定在直角基座内部长度)70mm，宽度10mm，厚度0.2mm。

永磁铁的材质为铁氧体磁铁，结构尺寸参数为：长5mm，宽8mm，高15mm。三个永磁铁之间的间距均为12mm。

压电片的材料为pzt-5a，尺寸参数为：长20mm，宽8mm，厚0.3mm。压电片粘贴在悬臂梁表面固定端部。

将本发明系统装置安装在激振台上进行不同方向和强度激励实验，为了说明本发明的实施效果，图3至图5给出了不同激励加速度下，通过本装置得到的输出电压波形。

图3是激振方向在x轴方向，(a)、(b)、(c)3个图给出激励的加速度有效值为0.05g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.0222v、0.0276v和0.0123v；(d)、(e)、(f)3个图给出的激励加速度有效值为0.5g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.2433v、0.2574v和0.1627v。

图4是激振方向在y轴方向，(a)、(b)、(c)3个图给出激励的加速度有效值为0.05g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.0943v、0.0804v和0.0325v；(d)、(e)、(f)三个图给出的激励加速度有效值为0.5g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.3581v、0.2826v和0.2349v。

图5是激振方向在z轴方向，(a)、(b)和(c)3个图给出激励的加速度有效值为0.05g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.0326v、0.0203v和0.0591v；(d)、(e)、(f)三个图给出激励的加速度有效值为0.5g，三个悬臂梁在x、y、z方向输出的电压均方值vxrms、vyrms和vzrms分别为0.2414v、0.1182v和0.4248v。

从总体输出电压值上可以看到，三维能量采集装置能够实现三个方向上的能量采集。将本装置安装在诸如道路旁等具有振动激励背景的场合，即可实现振动能量采集和机电能量转换。