[发明专利]一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置

说明书

本发明公开了一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，包括中心支柱、底板、磁铁、弯曲双叉悬臂梁阵列、质量块、压电发电片，中心支柱的两端部分别安装有与其垂直的底板，顶部底板的下端面上和底部底板的上端面上分别磁铁，中心支柱周围分布排列着一圈弯曲双叉悬臂梁阵列，弯曲双叉悬臂梁阵列由多根弯曲双叉的悬臂梁组成，悬臂梁的根部均垂直固定在中心支柱上，另一端分为双叉结构，且双叉弯曲伸展到上下方对应的磁铁附近，悬臂梁的双叉末端端部固连着质量块，悬臂梁表面均粘贴有压电发电片。本发明结构紧凑，工作频域宽，发电效率与普通单一悬臂梁结构或单稳态悬臂梁结构的压电能量收集装置相比有明显提高。

技术领域：

本发明涉及能量回收领域，属于振动压电能量转换技术，主要涉及一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置。

背景技术：

随着大规模集成电路技术、超精密加工技术及网络通信技术的发展，各种微机电系统及微小型电子设备的应用日趋广泛。目前，微小系统的能量供应，依然采取着传统的供能方式，即利用化学电池作为主要的能量供给源。虽然化学能电池以其使用方便而被广泛采用，但其使用过程中的较多缺点也引起了人们的日益关注，一是在微机电系统中，化学能电池及其附属装置占据了相当大的一部分空间和重量，不利于设备的微型化：二是化学能电池制作、使用过程中的材料浪费、环境污染及回收困难等问题日益突出：三是化学能电池的使用寿命较短，在一些特殊应用领域，传统化学电池的更换几乎无法实现。因此，寻找清洁可再生的能源取代传统供电方式是解决当今能量问题的关键。

针对现代微器件的供能需求，各种新型微电源的研制方向无不朝着以下几个方面努力：体积小、重量轻、采集能量密度高、使用寿命长，无害环保、易于实现微型化。在自然界中，广泛存在着太阳能，振动能，风能和热能等清洁可再生能源。振动作为自然界最常见的现象，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。

随着压电材料和压电器件的深入研究和发展，各种各样的压电材料在电子技术、通讯、生物医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测等众多领域得到了广泛的应用。压电式振动能量收集技术由于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，因而在能量收集领域得到了广泛的应用。悬臂梁式的压电能量收集装置最为常见，主要有单稳态悬臂梁、双稳态悬臂梁等。单稳态悬臂梁结构的压电能量收集装置的通频带极窄，采集的能量密度低，发电采集效率低。相对而言，双稳态悬臂梁结构增加了系统带宽，增大了振子的振动幅度，降低了谐振频率，能量收集效率有明显的提高。如中国专利（公开号CN205017232U）公开了一种压电悬臂梁能量采集器，该装置中只有一个矩形悬臂梁单独工作，采集的能量密度较低，且只能采集单方向的振动；如中国专利（公开号 CN103354434A）公开了一种双稳态压电悬臂梁振动能量采集器，该装置使用了双稳态悬臂梁，增加了带宽，但一个悬臂梁单独工作，发电效率依然较低；如中国专利（公开号CN102790548A）公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，该装置采用八个双稳态悬臂梁组成了环形阵列，发电效率相比单一压电悬臂梁结构有所提升，但是由于八个悬臂梁的安装方向均在同一平面内，因此仍然只能采集单一方向的振动，无法采集各个方向的振动，发电效率仍然有限。因此设计一种双稳态且能够采集多方向振动的压电能量收集装置具有较大的意义和价值。

发明内容：

本发明目的就是改善普通悬臂梁压电能量收集装置的工作频带窄、仅能采集单一方向振动等缺陷，提供一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置，该集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置具有结构紧凑，能采集多方向振动、采集能量密度大、工作频带宽等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：