專利名稱：旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是ー種旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域，特別適合收集環(huán)境中變化的轉(zhuǎn)動機械能。
背景技術(shù)：
利用自然界的風(fēng)能和水能等各種振動能量進行發(fā)電，為各種微系統(tǒng)供電，符合當今節(jié)能、環(huán)保、低碳的發(fā)展趨勢。在各種能量采集方式中，使用壓電材料進行能量收集更加適合于環(huán)境振動能的低頻、隨機變化特點。壓電懸臂梁發(fā)電性能與壓電陶瓷的應(yīng)變和振動頻率成正比。美國的Priya發(fā)明了ー個新穎風(fēng)車式風(fēng)能吸收裝置(US2010/0052324A1)。它包括風(fēng)扇、凸輪和由12個雙晶片構(gòu)成的能量收集器。風(fēng)帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，風(fēng)扇用凸輪撥動每個雙晶片振動，從而獲得能量。壓電雙晶片的諧振頻率為6Hz，當選擇合適風(fēng)速時，最大輸出功率為10. 2mW。但該方案存在以下缺點1、使用接觸方式傳遞能量，造成機械能損失和降低使用壽命。2、風(fēng)速較低時，凸輪與雙晶片不會脫離，此時不會發(fā)電。Rastegar和Murry提出使用永磁力傳遞非接觸沖擊,避免了機械接觸帶來的弊端，提高了壓電懸臂梁對低頻激振的響應(yīng)頻率，但雙晶片在受到非接觸沖擊力作用時，響應(yīng)振幅不斷衰減。褚金奎提出將雙晶片置于永磁力下，使其處于雙穩(wěn)態(tài)能量狀態(tài)，以在隨機、多頻率的振動環(huán)境下提高發(fā)電能力(CN102332843)。但該裝置雙晶片陣列的銅梁的延展方向沿著旋轉(zhuǎn)軸的軸向設(shè)置，造成永磁鐵對雙晶片的沖擊カ與其振動方向垂直，軸轉(zhuǎn)動的能量不能有效地轉(zhuǎn)化為壓電雙晶梁的振動能，降低了カ傳遞效果，而且系統(tǒng)比較龐大；同時該裝置采用壓電雙晶片-激勵輪-壓電雙晶片的結(jié)構(gòu)形式，只具備ー個激勵輪，降低了旋轉(zhuǎn)軸的效率轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，該旋轉(zhuǎn)壓電裝置采用激勵輪-壓電雙晶梁陣列-激勵輪的夾心結(jié)構(gòu)，且兩激勵輪上的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置，使得本發(fā)明在旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動下，兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產(chǎn)生斥力，使其產(chǎn)生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能量，解決了該對比文件中能量轉(zhuǎn)換效率較低的問題。為實現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
ー種旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，包括旋轉(zhuǎn)軸以及分別安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的激勵輪、壓電雙晶梁 陣列，所述激勵輪包括前激勵輪、后激勵輪，前激勵輪、后激勵輪均與旋轉(zhuǎn)軸剛性連接，而壓電雙晶梁陣列置于前激勵輪和后激勵輪之間；所述前激勵輪和后激勵輪均包括輪盤以及復(fù)數(shù)個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與后激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置；所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的復(fù)數(shù)個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉(zhuǎn)軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設(shè)置，且懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、后激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設(shè)置有與負載連接的引出導(dǎo)線。所述懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉(zhuǎn)軸的軸向相垂直。所述壓電梁永磁鐵塊為ー個，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁后分別面向前激勵輪和后激勵輪設(shè)置。所述壓電梁永磁鐵塊為兩個，分別安裝在懸臂梁梁體兩個側(cè)面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設(shè)置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設(shè)置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果 I、本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置采用激勵輪-壓電雙晶梁陣列-激勵輪的夾心結(jié)構(gòu)，且兩激勵輪上的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置，因此，與對比文件US2010/0052324A1相比，本發(fā)明利用非接觸永磁力傳遞作用力，避免了機械沖擊導(dǎo)致能量損失和壽命降低缺陷；而與對比文件CN102332843相比，本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動，帶動兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產(chǎn)生斥力，使其產(chǎn)生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能量，解決了該對比文件中能量轉(zhuǎn)換效率較低的問題；另外，該結(jié)構(gòu)形式能夠使得本發(fā)明即使在旋轉(zhuǎn)軸低速旋轉(zhuǎn)下也能發(fā)電，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點。2、本發(fā)明將懸臂梁懸臂端沿旋轉(zhuǎn)軸的徑向延展，即懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉(zhuǎn)軸的軸向相垂直，因此，與對比文件CN102332843相比，使永磁斥力方向與梁的振動方向相同，進ー步提高了轉(zhuǎn)動能量向梁振動能量轉(zhuǎn)換的效率，有效地避免龐大的結(jié)構(gòu)體系。3、利用壓電效應(yīng)，從空氣或其他流體的運動中收集能量轉(zhuǎn)化為電能，是ー種小型風(fēng)カ發(fā)電或水力發(fā)電裝置，可為戶外無線傳感網(wǎng)節(jié)點供電。


圖I是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I中激勵輪的結(jié)構(gòu)示意 圖3是圖I中壓電雙晶梁陣列的結(jié)構(gòu)示意 圖4是圖3中壓電雙晶梁的結(jié)構(gòu)示意 圖I至圖4中前激勵輪I ;后激勵輪2 ;壓電雙晶梁陣列3 ;旋轉(zhuǎn)軸4 ;軸承5 ;激勵永磁鐵塊6 ;懸臂梁7 ;壓電陶瓷片8 ;引出導(dǎo)線9和10 ;負載11。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖I所示，本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，包括旋轉(zhuǎn)軸以及分別安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的前激勵輪、壓電雙晶梁陣列以及后激勵輪，前激勵輪I和后激勵輪2將壓電雙晶梁陣列3夾在中間構(gòu)成夾心式結(jié)構(gòu)，三者間有一定間隙；前激勵輪I和后激勵輪2均與旋轉(zhuǎn)軸4剛性連接，而壓電雙晶梁陣列3通過軸承5與旋轉(zhuǎn)軸連接。當旋轉(zhuǎn)軸在風(fēng)能等外力的驅(qū)動下下，帶動前激勵輪I和后激勵輪2同步旋轉(zhuǎn)吋，前激勵輪I與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力、后激勵輪2與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力皆能夠作用在壓電雙晶梁陣列3的壓電雙晶梁上，使得壓電雙晶梁產(chǎn)生強迫變形，從而產(chǎn)生電能。如圖2所示，本發(fā)明所述的前激勵輪和后激勵輪均包括輪盤以及若干個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，該激勵永磁鐵塊一般鄰近輪盤盤面的外圓四周均勻分布，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與后激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置，保證在旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動下，前激勵輪與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力、后激勵輪2與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力交替地作用在壓電雙晶梁陣列3的壓電雙晶梁上。如圖3、圖4所示，本發(fā)明所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的復(fù)數(shù)個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉(zhuǎn)軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設(shè)置，且懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉(zhuǎn)軸的軸向相 垂直，使永磁斥力方向與梁的振動方向相同，提高了轉(zhuǎn)動能量向梁振動能量轉(zhuǎn)換的效率，同時減小了系統(tǒng)體積；所述懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、后激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設(shè)置有與負載連接的引出導(dǎo)線；負載可以為發(fā)光二極管、無線傳感器、整流濾波電路、蓄電池、電容等；壓電梁永磁鐵塊可以為ー個，也可以為兩個；當壓電梁永磁鐵塊為ー個時，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁后分別面向前激勵輪和后激勵輪設(shè)置；當壓電梁永磁鐵塊為兩個時，分別安裝在懸臂梁梁體的兩個側(cè)面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設(shè)置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。另外，本發(fā)明所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設(shè)置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。由于風(fēng)速的變化范圍較寬，可以將壓電雙晶梁的幾何尺寸設(shè)計成不一致，針對每種風(fēng)速都有相匹配的發(fā)電性能最優(yōu)的壓電雙晶梁，由此可在多種風(fēng)速下都能獲得最優(yōu)發(fā)電效果。
權(quán)利要求
1.ー種旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，包括旋轉(zhuǎn)軸以及分別安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的激勵輪、壓電雙晶梁陣列，其特征在干所述激勵輪包括前激勵輪、后激勵輪，前激勵輪、后激勵輪均與旋轉(zhuǎn)軸剛性連接，而壓電雙晶梁陣列置于前激勵輪和后激勵輪之間；所述前激勵輪和后激勵輪均包括輪盤以及復(fù)數(shù)個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與后激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置；所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的復(fù)數(shù)個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉(zhuǎn)軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設(shè)置，且懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、后激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設(shè)置有與負載連接的引出導(dǎo)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉(zhuǎn)軸的軸向相垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電梁永磁鐵塊為ー個，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁后分別面向前激勵輪和后激勵輪設(shè)置，且壓電梁永磁鐵塊與其相面對的輪盤上的激勵永磁鐵塊的磁極極性相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電梁永磁鐵塊為兩個，分別安裝在懸臂梁梁體的兩個側(cè)面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設(shè)置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設(shè)置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置，包括旋轉(zhuǎn)軸、前激勵輪、后激勵輪、壓電雙晶梁陣列，壓電雙晶梁陣列置于前激勵輪和后激勵輪之間；前激勵輪和后激勵輪均包括輪盤以及激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與后激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設(shè)置；壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及壓電雙晶梁，每一個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、后激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力。因此，本發(fā)明在旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動下，兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產(chǎn)生斥力，使其產(chǎn)生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能量。
文檔編號H02N2/18GK102723894SQ201210168880
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者李華峰, 胡俊輝 申請人:南京航空航天大學(xué)