一種微型壓電-電磁復(fù)合發(fā)電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS及微能源技術(shù)，主要應(yīng)用于國(guó)防軍事、野外探險(xiǎn)、地質(zhì)勘測(cè)等電能供給不便的領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種微型壓電-電磁復(fù)合發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微型發(fā)電技術(shù)在國(guó)防軍事、野外探險(xiǎn)、地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，在野外軍事行動(dòng)、旅游探險(xiǎn)等電能供給不便的特定場(chǎng)合，絕大部分小型無(wú)線(xiàn)可移動(dòng)設(shè)備均依賴(lài)于電池供電。傳統(tǒng)的化學(xué)電池存在能量有限、需定期更換、易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，清潔、可靠、廉價(jià)的新型能源的開(kāi)發(fā)與利用將是大勢(shì)所趨。微型發(fā)電裝置可將太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等自然能源轉(zhuǎn)化為電能，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)及日常生活的需要。
[0003]根據(jù)發(fā)電原理，微型發(fā)電裝置一般有電磁式、靜電式、壓電式等幾類(lèi)。其中電磁式具有發(fā)電量大、理論成熟、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)；壓電式體積小、發(fā)電效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。近年來(lái)研究人員在壓電材料性能、新型發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電荷存儲(chǔ)等方面開(kāi)展了大量相關(guān)研究。美國(guó)德克薩斯大學(xué)發(fā)明了一種微型壓電風(fēng)車(chē)，與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車(chē)相比，在相同尺寸下可使能量轉(zhuǎn)換效率提高18倍;美國(guó)的Roundy S.等和S.W.Arms等研制了利用小型壓電發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自供能，其中Roundy S.提出的壓電發(fā)電裝置在25m/s2加速度、
1.6%輸出占空比和120Hz固有頻率的情況下，在I cm3的模型上產(chǎn)生的電功率為375yW，可滿(mǎn)足傳感器節(jié)點(diǎn)的用電需求，有效避免了電池更換或充電;Nathan S.Shenck研究了一種壓電發(fā)電鞋，通過(guò)走路時(shí)腳對(duì)鞋底的沖擊使壓電陶瓷產(chǎn)生電荷輸出；美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的Yabin Liao研究了在懸臂梁不同位置上添加質(zhì)量塊對(duì)懸臂梁振動(dòng)特性及發(fā)電效率的影響；美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Pisano教授采用振動(dòng)-壓電的能量轉(zhuǎn)換模式，研制了在高溫下仍能獲得87uW/cm2功率密度的能量采集器；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種微型壓電-電磁復(fù)合發(fā)電裝置。
[0005]本發(fā)明通過(guò)同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壓電、電磁兩種不同的發(fā)電機(jī)制同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，以達(dá)到對(duì)輸出電能疊加放大的效果，并在外界機(jī)械能的輸入端采用行星齒輪加速機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提尚了發(fā)電效率。
[0006]本發(fā)明是由壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)構(gòu)、行星齒輪加速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，所述壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)構(gòu)由電磁發(fā)電單元、壓電發(fā)電單元、凸起結(jié)構(gòu)和外殼等組成；電磁發(fā)電單元采用有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，電磁發(fā)電單元包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子由兩片半環(huán)形磁瓦組成的主磁極、電刷、端蓋組成;轉(zhuǎn)子由電樞繞組、電樞鐵芯、換向器和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，電樞繞組纏繞于電樞鐵芯上，電樞繞組的首末兩端分別連接著兩片換向片，換向片與固定的電刷相接觸并導(dǎo)出電樞繞組所產(chǎn)生的電能;壓電發(fā)電單元采用懸臂梁式壓電振子，壓電振子由壓電陶瓷片和金屬基板構(gòu)成，壓電陶瓷片貼于金屬基板上表面形成復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片上表面和金屬基板下表面引出導(dǎo)線(xiàn)以輸出電能；多個(gè)壓電振子沿徑向固定于電樞鐵芯表面，與電樞繞組均勻交替排列。
[0007]所述行星齒輪加速機(jī)構(gòu)由輸入軸、內(nèi)齒圈、三個(gè)行星齒輪組成的行星齒輪組、太陽(yáng)齒輪和行星架構(gòu)成;輸入軸末端與行星架中心固聯(lián)，三個(gè)完全相同的行星齒輪以行星架中心軸為公共軸均布于行星架表面，三個(gè)行星齒輪既與固定在殼體上的同軸內(nèi)齒圈內(nèi)嚙合，又與位于其公共軸線(xiàn)的太陽(yáng)齒輪外嚙合。
[0008]為了在相同的外界激勵(lì)條件下，使壓電振子的應(yīng)變變大，改善其固有頻率和應(yīng)力分布狀況，使壓電振子的發(fā)電能力得到更充分的利用，所述壓電振子為梯形結(jié)構(gòu)，或加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，或加質(zhì)量塊梯形結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明的工作原理:
[0010]電磁發(fā)電單元采用有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，在外界機(jī)械能驅(qū)動(dòng)下，纏繞著電樞繞組的轉(zhuǎn)子相對(duì)于由磁瓦組成的主磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并依次通過(guò)換向器、電刷輸出電能。壓電發(fā)電單元采用懸臂梁式壓電振子，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，固定于轉(zhuǎn)子上的壓電振子不斷受到外殼上凸起結(jié)構(gòu)的激勵(lì)作用，不斷產(chǎn)生拉伸和壓縮變形，基于正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。為進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率，在機(jī)械能的輸入端設(shè)計(jì)有行星齒輪加速機(jī)構(gòu)，當(dāng)外界機(jī)械能驅(qū)動(dòng)輸入軸時(shí)，帶動(dòng)行星架上的三個(gè)行星齒輪沿著固定的內(nèi)齒圈公轉(zhuǎn)并同時(shí)自轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)合理匹配各齒輪齒數(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速倍增，從而加快電樞繞組切割磁感線(xiàn)的速度和壓電振子受凸起結(jié)構(gòu)激勵(lì)的頻率，進(jìn)一步提高發(fā)電效率。本發(fā)明提及的微型壓電-電磁復(fù)合發(fā)電裝置既采用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩種不同的發(fā)電機(jī)制，以達(dá)到對(duì)輸出電能疊加放大的效果，又通過(guò)與行星齒輪加速機(jī)構(gòu)的巧妙結(jié)合，進(jìn)一步提尚了發(fā)電效率。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
[0012]1、本發(fā)明采用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壓電、電磁兩種不同的發(fā)電機(jī)制，以達(dá)到對(duì)輸出電能疊加放大的效果，有利于提高發(fā)電效率和能量密度。
[0013]2、本發(fā)明采用行星齒輪加速機(jī)構(gòu)，加快了電樞繞組切割磁感線(xiàn)的速度和壓電振子受到凸起結(jié)構(gòu)激勵(lì)的頻率，有利于進(jìn)一步提尚發(fā)電效率。
[0014]3、本發(fā)明壓電陶瓷片的受力方向與壓電電荷產(chǎn)生的方向相互垂直(壓電常數(shù)為d31 )，與發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的振動(dòng)模態(tài)相符合，較大的提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2壓電-電磁復(fù)合發(fā)電機(jī)構(gòu)爆炸圖。
[0017]圖3行星齒輪加速機(jī)構(gòu)爆炸圖。
[0018]圖4壓電單晶懸臂梁原理圖。
[0019]圖5電磁發(fā)電單元原理圖。
[°02°]圖6壓電振子不意圖。
[0021 ]圖7梯形壓電振子示意圖。
[0022]圖8加質(zhì)量塊壓電振子不意圖。
[0023]圖9加質(zhì)量塊梯形壓電振子示意圖。
[0024]其中，I一壓電振子;2—彳丁星齒輪加速機(jī)構(gòu)；3—凸起結(jié)構(gòu);4一電樞繞組;5—電樞鐵芯;6—主磁極;7—?dú)んw;8—換向器;9一轉(zhuǎn)軸；10—電刷；11一端蓋;2_1—輸入軸;2_2—內(nèi)齒圈；2_3—行星齒輪;2_4—太陽(yáng)齒輪;2_5—行星架；1-1一金屬基板;1-2—壓電陶瓷片；1-3—質(zhì)量塊。