一种改进的压电悬臂梁微能量收集装置的制作方法

本实用新型属于微能量收集装置，具体涉及一种改进的压电悬臂梁微能量收集装置。

背景技术：

微能量俘获技术是研究如何从产品的工作环境中收集能量并实现能量转换和存储的技术。其中，以俘获振动能量的研究最为广泛，产品工作环境中振动能量无处不在，如产品在运输、工作状态下的振动，水流、气流等环境因素作用于产品上产生的振动等等。压电材料具有变形状态下在材料表面产生电荷和电势差的特性——称为压电材料的压电效应。当在振动环境下对压电材料表面产生的电荷进行收集时就可以将电荷存储在电池中，实现微能量的收集和后续的使用。

因此，研究基于压电材料振动环境下微能量的收集技术被认为是微能量俘获领域中最有应用前景的方法之一。典型的压电材料振动微能量收集系统包含两部分：第一部分是压电式发电机，即微能量收集装置，其一般采用悬臂梁结构形式，主要由弹性基体和压电材料组成；第二部分是压电微能量收集电路和能量存储模块。为了提高压电式悬臂梁能量获取的效率，往往通过特殊的结构设计使其在工作中与外界振动产生共振以获得最大能量输出，如何拓宽压电式悬臂梁的共振频率带宽，是提升压电式悬臂梁性能和适用范围的关键问题。传统的压电式悬臂梁采用矩形截面等厚度设计，其共振频率带宽拓宽的效果十分有限，因此有必要对传统压电式悬臂梁振动微能量收集装置进行改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种改进的压电悬臂梁微能量收集装置，以显著拓宽压电式悬臂梁共振频率带宽，有效提高该装置的性能和适用性。

为实现本实用新型目的采用的技术方案如下：

本实用新型提供的改进的压电悬臂梁微能量收集装置，包括设固定端的悬臂梁本体，所述悬臂梁本体的横截面尺寸由固定端到自由端的纵向呈逐渐缩小变化，所述悬臂梁本体的上下面分别设有压电材料，所述悬臂梁本体的上面设有沿纵向活动移动的第一永磁铁，所述悬臂梁本体的自由端上面固定有第二永磁铁。

所述悬臂梁本体的横截面形状为矩形，所述悬臂梁本体的矩形横截面的宽度和高度尺寸均沿所述固定端到自由端的纵向呈逐渐缩小变化。

所述悬臂梁本体的上面沿纵向设有倒梯形槽，所述第一永磁铁的下面设有与所述倒梯形槽相配合的滑块，所述第一永磁铁可通过所述滑块沿所述倒梯形槽滑动。

有益效果：

本实用新型是一种变截面变厚度非线性磁力压电式悬臂梁微能量收集装置。本实用新型中悬臂梁本体的横截面尺寸采用由固定端到自由端的纵向呈逐渐缩小变化的变截面设计，其横向的宽度和高度（厚度）逐渐变小，通过移动第一永磁铁的位置可方便调整悬臂梁的共振频率，可显著拓宽压电式悬臂梁的共振频率带宽，较传统悬臂梁的共振频率带宽扩展了一个数量级，如考虑非线性电磁力的影响，可进一步拓宽悬臂梁的共振频率。

本实用新型具有以下优点：

一是制作简单，成本低廉。变截面变厚度非线性磁力悬臂梁结构设计简单，便于批量生产，成本低。

二是共振带宽宽，适用性好。采用本发明结构的压电悬臂梁共振频率带宽宽，较传统的矩形截面等厚度悬臂梁高一个数量级，即达到45Hz，显著拓展了其使用范围。

三是安装简单，应用范围广。只要产品自身或使用环境中有振动，将本发明简单固定在产品上，就可以在压电材料表面产生电荷，通过相应电路实现振动微能量收集。

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

附图说明

图1是本实用新型的纵向剖视图。

图2是图1中AA向剖视图。

图3是本实用新型的俯视图。

图中：1-固定端，2-悬臂梁本体，3-压电材料，4-倒梯形槽，5-第一永磁铁，6-第二永磁铁，7-自由端，8-滑块。

具体实施方式

见图1——图3，本实用新型提供的改进的压电悬臂梁微能量收集装置，包括设固定端1的悬臂梁本体2，悬臂梁本体2的横截面形状为矩形，悬臂梁本体的矩形横截面的宽度a和高度b尺寸均沿悬臂梁本体2的固定端1到自由端7的纵向呈逐渐缩小变化，悬臂梁本体2的上下面分别设有压电材料3，悬臂梁本体2的上面沿纵向设有倒梯形槽4，悬臂梁本体2的上面设有沿纵向活动移动的第一永磁铁5，第一永磁铁5的下面设有与所述倒梯形槽4相配合的滑块8，第一永磁铁5可通过滑块8沿所述倒梯形槽4前后滑动，悬臂梁本体2的自由端上面固定有第二永磁铁6。

经有限元仿真分析可知：变截面变厚度非线性电磁力压电悬臂梁的共振频率带宽为252Hz～289Hz，即37Hz；传统等截面等厚度压电悬臂梁的共振频率带宽为205Hz～209Hz，即4Hz。因此，本发明设计的变截面变厚度悬臂梁较传统悬臂梁的共振频率带宽扩展了一个数量级，显著增加了本发明设计的悬臂梁在振动微能量收集领域的应用范围，如进一步考虑非线性电磁力的影响本发明设计的悬臂梁共振频率带宽可开展到45Hz左右。

本实用新型使用时，可通过固定端安装在产品上，当产品使用过程中有振动产生或者在振动环境中使用时，由于本实用新型的共振频带宽，可以通过移动第一永磁铁5位置，使得悬臂梁本体2与振动环境产生共振，从而压电材料3表面产生电荷，在收集电路的作用下，电能被存储在储能装置中，当存储电能满足产品功耗要求时，通过能量管理单元为产品供电。