本實用新型涉及一種用于將環(huán)境中的微能源風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，特別是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動能量，進(jìn)而產(chǎn)生電能的基于壓電振動的微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置。屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來發(fā)展起來的微能源技術(shù)，由于能夠源源不斷地收集環(huán)境中的微能量，并轉(zhuǎn)化為電能，并且具有體積小、壽命長、成本低、能量密度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以是解決微型器件與系統(tǒng)電源問題的有效途徑。其中，振動式微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置是微能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，因具有上述優(yōu)點(diǎn)，故已成為當(dāng)前代表微能源的主要標(biāo)志性技術(shù)。從振動能轉(zhuǎn)換成電能的角度來說，主要有三種方式被廣泛地采用：靜電式，壓電式和電磁感應(yīng)。其中，壓電式轉(zhuǎn)換方式，由于更具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、壽命幾乎無限、易于實現(xiàn)微小化等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最有前景的一種轉(zhuǎn)換方式。

國內(nèi)針對壓電式振動型能量轉(zhuǎn)換裝置的研究起步較晚，采集器的工作頻率單一，頻帶比較窄，采集到的能量微弱等問題，也一直普遍存在。在優(yōu)化微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的專利和論文中，主要集中在能量采集電路，對懸臂梁的橫截面形狀和模態(tài)的優(yōu)化，然而后者需要更大的結(jié)構(gòu)空間，不利于緊湊結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。如專利公布號為CN103701364A的“一種風(fēng)致振動寬頻帶壓電發(fā)電裝置”中，公開的技術(shù)方案：包括風(fēng)扇、固定支座、旋轉(zhuǎn)永磁體、旋轉(zhuǎn)軸、固定永磁體、彈簧、支撐框架和至少 2 個壓電發(fā)電梁，所述旋轉(zhuǎn)永磁體與風(fēng)扇固定于同一旋轉(zhuǎn)軸上，且各旋轉(zhuǎn)永磁體的N極指向旋轉(zhuǎn)軸軸心，所述支撐框架通過4個相同的彈簧固定于固定支座上，各壓電發(fā)電梁一端固定于支撐框架上 ；所述固定永磁體固定于支撐框架下端，且固定永磁體的 S 極指向旋轉(zhuǎn)軸，所述壓電發(fā)電梁由金屬質(zhì)量塊、彈性金屬薄片、上層壓電片和下層壓電片組成，所述金屬質(zhì)量塊固定于彈性金屬薄片自由端及彎曲處，上層壓電片和下層壓電片分別粘貼于彈性金屬薄片的上、下兩個表面。該技術(shù)方案是運(yùn)用帶永磁體的風(fēng)扇，通過電磁力的作用實現(xiàn)壓電懸臂梁的受迫振動，對風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換；然而由于產(chǎn)生的電能有限，該結(jié)構(gòu)需要至少兩個壓電發(fā)電梁，多個懸臂梁并聯(lián)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，占用空間較大，由于微型器件受到有限空間的限制，難以進(jìn)一步擴(kuò)展。另一方面，傳統(tǒng)壓電陶瓷片容易受到大變形而產(chǎn)生脆裂，從而限制了產(chǎn)生的電能輸出。傳統(tǒng)壓電陶瓷片由于機(jī)電耦合系數(shù)低，只能將少量輸入的振動能量轉(zhuǎn)化成電能輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種基于壓電振動的微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，解決了現(xiàn)有風(fēng)能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受有限空間的限制，傳統(tǒng)壓電片的機(jī)電耦合系數(shù)低，約束了能量轉(zhuǎn)化等問題，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，調(diào)節(jié)方便，減少占用空間，增大壓電陶瓷片的應(yīng)變能力，提高機(jī)電耦合系數(shù)，增加能量獲取效率，不受機(jī)械能量源的限制，充分地利用外界環(huán)境中的風(fēng)能，進(jìn)而拓寬了能量收集的風(fēng)速頻帶。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：該基于壓電振動的微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置包括基座，組裝在基座上的夾具、固定在夾具上的壓電換能裝置以及振動發(fā)生器，其技術(shù)要點(diǎn)是：所述壓電換能裝置由下端固定在夾具上的懸臂梁和貼附在懸臂梁上的壓電陶瓷片所構(gòu)成，轉(zhuǎn)接臂的下臂與懸臂梁的上端固定連接，轉(zhuǎn)接臂的上臂組裝振動發(fā)生器，在懸臂梁的上端設(shè)置負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，負(fù)剛度機(jī)構(gòu)包括三塊平行布置且兩兩相斥的永磁體，即位于轉(zhuǎn)接臂中部的連接孔內(nèi)的永磁體，分別設(shè)置在轉(zhuǎn)接臂兩側(cè)的連接座上的永磁體，通過轉(zhuǎn)接臂將振動發(fā)生器產(chǎn)生的振動傳遞給剛度降低的懸臂梁，懸臂梁反復(fù)彎曲振動的同時，帶動壓電陶瓷片利用壓電效應(yīng)將輸入的振動能轉(zhuǎn)換成電能。

所述連接座各自的滑道內(nèi)組裝有滑套，設(shè)置在轉(zhuǎn)接臂兩側(cè)的連接座上的永磁體分別固定在對應(yīng)的滑套上，滑套上設(shè)置調(diào)節(jié)螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓的轉(zhuǎn)動驅(qū)動固定在滑套上的永磁體，隨著滑套沿軸向移動，調(diào)整滑套上的永磁體與轉(zhuǎn)接臂中部連接孔內(nèi)的永磁體之間的相對位置，改變相斥永磁體之間的斥力，使與轉(zhuǎn)接臂連接的懸臂梁達(dá)到負(fù)剛度狀態(tài)，加大懸臂梁振動時的振幅，帶動壓電陶瓷片隨著反復(fù)彎曲振動產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

貼附在懸臂梁上的所述壓電陶瓷片采用壓電纖維復(fù)合材料制成的壓電陶瓷片。

振動發(fā)生器包括風(fēng)扇和設(shè)置在風(fēng)扇上的偏心配重。

懸臂梁和轉(zhuǎn)接臂為一體結(jié)構(gòu)。

本實用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：由于本實用新型振動發(fā)生器的轉(zhuǎn)接臂與壓電換能裝置的單個懸臂梁固定連接，為了增加能量獲取效率，在懸臂梁的自由端引用了基于磁致負(fù)剛度原理設(shè)置的負(fù)剛度裝置，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，減少占用空間。因單個懸臂梁一端固定在基座上，另一端自由振動，通過負(fù)剛度裝置永磁體之間斥力的改變，來降低單個懸臂梁的剛度，不僅降低了對外界能量的要求，而且調(diào)節(jié)非常方便，增大了壓電陶瓷片的應(yīng)變能力，以提高機(jī)電耦合系數(shù)，由壓電效應(yīng)將振動能轉(zhuǎn)換電能，故使壓電陶瓷片產(chǎn)生足夠的電能，并且不受機(jī)械能量源的限制，充分地利用外界環(huán)境中的風(fēng)能，在微風(fēng)的激勵下都能收集能量，進(jìn)而拓寬了能量收集的風(fēng)速頻帶。因此，本實用新型解決了現(xiàn)有風(fēng)能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受有限空間的限制，傳統(tǒng)壓電陶瓷片的機(jī)電耦合系數(shù)低，約束了能量轉(zhuǎn)化等問題。

附圖說明

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。

圖1是本實用新型的一種立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的平面結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3是圖2的側(cè)視圖；

圖4是本實用新型的一種負(fù)剛度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圖4中轉(zhuǎn)接臂的一種立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中序號說明：1基座、2懸臂梁、3連接座、4偏心配重、5風(fēng)扇、6轉(zhuǎn)接臂、7調(diào)節(jié)螺栓、8壓電陶瓷片、9夾具、10永磁體、11滑套、12上臂、13連接孔、14下臂。

具體實施方式

根據(jù)圖1～5詳細(xì)說明本實用新型的具體結(jié)構(gòu)。該基于壓電振動的微型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置包括基座1，組裝在基座1上的夾具9、固定在夾具9上的壓電換能裝置以及振動發(fā)生器等部件。本實施例中，基座1使用不銹鋼材料，基座1上連接座3等的桁架結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

壓電換能裝置由下端固定在夾具9上的懸臂梁2和貼附在懸臂梁2上的壓電陶瓷片8所構(gòu)成。調(diào)節(jié)夾具9能固定不同厚度的懸臂梁2。貼附在懸臂梁2上的壓電陶瓷片8采用壓電纖維復(fù)合材料MFC（Macro Fiber Composite）制成。當(dāng)懸臂梁2振動發(fā)生彎曲變形時，壓電陶瓷片8將受到拉伸或壓縮，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。現(xiàn)有壓電陶瓷片發(fā)電能力低下的原因是產(chǎn)生的應(yīng)變小。因為壓電陶瓷片8產(chǎn)生的電量和懸臂梁2表面層的應(yīng)變成正比，在相同彎曲的角度下，懸臂梁2越厚，壓電陶瓷片8產(chǎn)生的電量越多；但與之同時，厚度越大剛度也越大，施加同樣的力不容易使之彎曲。負(fù)剛度機(jī)構(gòu)的引入使得懸臂梁2的使用能使原本高剛度的懸臂梁容易發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生更多的電量。

壓電陶瓷片8采用技術(shù)成熟的纖維和聚合物基質(zhì)壓制而成的MFC，能在很大程度上解決傳統(tǒng)的壓電片產(chǎn)品在應(yīng)用上存在缺陷的難題，使用的MFC是研究最多最深入的一種壓電復(fù)合材料。它由三部分構(gòu)成：中層的壓電陶瓷沿纖維方向平行排列于一個平面內(nèi)，這樣的排列方式大大提高了驅(qū)動能力；上下層是交叉指形電極，提供了沿纖維方向的極化電場，使MFC有很好的機(jī)電耦合效應(yīng)。上下層和中層之間使用聚合物粘接，提高了抗破壞能力，因而MFC具有很高的韌性，容易被使用在曲面結(jié)構(gòu)上。

而將纖維和聚合物基質(zhì)壓制而成的MFC能在很大程度上解決這些難題，本實施例中使用的 MFC有很好的機(jī)電耦合效應(yīng)。上下層和中層之間使用聚合物粘接，提高了抗破壞能力，因而MFC具有很高的韌性，容易被使用在曲面結(jié)構(gòu)上。

振動發(fā)生器包括風(fēng)扇5和設(shè)置在風(fēng)扇5上的偏心配重4。本實施例在風(fēng)扇5的特定葉片上添加偏心配重4使風(fēng)扇5轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生偏心力，此偏心力的大小可由偏心配重4的大小和到轉(zhuǎn)軸的距離進(jìn)行調(diào)整（同時也與風(fēng)速有關(guān)）?？梢允褂脙?nèi)置螺母作為偏心配重4，也可以使用其他的配重，其目的是利用風(fēng)能帶動風(fēng)扇5的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為懸臂梁2的彎曲振動。轉(zhuǎn)接臂6的上臂12組裝振動發(fā)生器，在懸臂梁2的上端設(shè)置負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)接臂6出于質(zhì)量輕便考慮，可以使用多聚合物材料，風(fēng)扇5的振動能傳遞到懸臂梁2，使其發(fā)生沿厚度方向的彎曲振動。轉(zhuǎn)接臂6的下臂14與懸臂梁2的上端固定連接，風(fēng)扇5組裝在轉(zhuǎn)接臂6的上臂的調(diào)節(jié)孔內(nèi)，根據(jù)實際使用要求，懸臂梁2和轉(zhuǎn)接臂6也可以為一體結(jié)構(gòu)。

基于磁致負(fù)剛度原理設(shè)置的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，包括三塊兩兩相斥的永磁體10，即位于轉(zhuǎn)接臂6中部的連接孔13內(nèi)的永磁體10，分別設(shè)置于轉(zhuǎn)接臂6兩側(cè)的連接座3上的永磁體10，并使位于中間的轉(zhuǎn)接臂6上的永磁體10的極性與兩側(cè)連接座3上的永磁體10的極性兩兩相斥。連接座3各自的滑道內(nèi)組裝有滑套11，設(shè)置在轉(zhuǎn)接臂6兩側(cè)連接座3上的永磁體10分別固定在對應(yīng)的滑套11上?；?1上設(shè)置調(diào)節(jié)螺栓7，通過調(diào)節(jié)螺栓7轉(zhuǎn)動驅(qū)動固定在滑套11上的永磁體10，隨著滑套11沿軸向移動，調(diào)整滑套11上的永磁體10與轉(zhuǎn)接臂6中部連接孔13內(nèi)的永磁體10之間的相對位置。從而改變相斥兩塊永磁體10之間的斥力，使與轉(zhuǎn)接臂6連接的懸臂梁2達(dá)到負(fù)剛度狀態(tài)。永磁體10之間斥力的分力對轉(zhuǎn)接臂6在垂直于紙面方向起到推力的作用，可以使轉(zhuǎn)接臂6及懸臂梁2在垂直于紙面方向上的剛度降低。通過轉(zhuǎn)接臂6將帶有偏心配重4的風(fēng)扇5產(chǎn)生的振動從轉(zhuǎn)接臂6傳遞給剛度降低的懸臂梁2，加大懸臂梁2振動時的振幅。懸臂梁2反復(fù)彎曲振動的同時，帶動壓電陶瓷片8隨著反復(fù)彎曲振動，利用壓電效應(yīng)將輸入的振動能轉(zhuǎn)換成電能輸出。永磁體10的距離越近，產(chǎn)生的斥力越強(qiáng)，懸臂梁2的剛度就會越低，在同樣大小的不平衡力作用下可產(chǎn)生越大的變形。從而使得微風(fēng)也能將懸臂梁2驅(qū)動起來，以使壓電陶瓷片8產(chǎn)生足夠的電壓。根據(jù)使用場合可選擇不同材料或尺寸的懸臂梁2，此時通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓7調(diào)整永磁體10的間距，可使懸臂梁2達(dá)到負(fù)剛度。調(diào)節(jié)螺栓7用于產(chǎn)品出廠前的初始設(shè)置，一旦調(diào)好就不再變動。在產(chǎn)品批量生產(chǎn)后，永磁體10的間距將會設(shè)定成定值，在工作狀態(tài)下保持負(fù)剛度狀態(tài)。

本實施例中采用常用的元件組成一般的存儲電路，該存儲電路將由壓電陶瓷片8輸送來的交流電通過整流單元變?yōu)橹绷麟?，先為超級電容充電，?dāng)超級電容的電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，再由超級電容為電池充電。利用密封盒（圖中未示出），將振動發(fā)生器以外的裝置密封包裝，埋于地面以下，用來防雨、防潮、防塵、防蟲等。產(chǎn)生的電能除了電路消耗之外，還能對電池持續(xù)地充電。由于無線電子耗電量小，此充電速率能足夠保障電子設(shè)備的正常使用。

工作過程。首先將外界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為振動能，利用壓電效應(yīng)將振動能轉(zhuǎn)換成電能。其次，電能管理系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換的隨機(jī)電能進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)換，一部分能量直接用來驅(qū)動后續(xù)的微控制器和微傳感器，另一部分能量存儲起來以保證無風(fēng)情況下系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。