CN106026767A - 一种压电式振动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电式振动俘能器，本发明的压电式振动俘能器采用中空六棱柱形外壳，外壳的内侧面布置两层梁，每层等角度布置三个梁，梁的上下表面各布置一个压电片，壳体中间布置一个上粗下细的圆台体，圆台体底端与六棱柱形外壳底部螺纹连接，当圆台体旋入六棱柱形壳体底部螺纹一半长度时，梁和圆台体之间刚好接触。本发明利用压电片的d31耦合工作模式，即作用力方向与压电片的极化方向垂直，采用梁结构回收发动机的振动能量，将振动能量转变为有用的电能，优点在于俘能器的共振频带较宽，振动能量回收效率高。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种压电式振动俘能器。
背景技术
目前，解决能源短缺和环境污染已成为汽车行业关注的焦点，节能减排技术受到广泛的关注，新能源汽车解决了排放的问题，但节能技术在汽车领域还未有较大的突破。
汽车在行驶过程中，振动存在于许多方面，发动机的振动频率在几百赫兹，使用振动俘能器回收一部分振动能量，供给微机电***使用，可减少能源的使用和环境污染。
振动能量回收主要有电磁式，静电式，压电式三种，其中压电式可达到相对较高的功率密度，并且结构简单，易于***集成和微型化被广泛使用。
中国专利CN104485839A公开了一种用于回收柴油机振动能量的压电式振动俘能器，其采用压电陶瓷d33耦合工作模式，即作用力方向与压电片的极化方向相同，压电陶瓷易碎且该发明的共振频带较窄，无法调节共振频带。中国专利CN104485851A公开了一种拉压式振动俘能器，两个在其圆弧段粘接有压电片的金属片经铆钉相互铆接后构成压电振子，采集振动能量，该发明为避免压电片因拉应力过大而损坏需严格计算俘能器的结构，并且无法调节共振频带。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种压电式振动俘能器，解决了振动俘能器无法调节共振频带的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术。
一种压电式振动俘能器，包括压电片、中空的六棱柱形外壳、梁、圆台体；
所述六棱柱形外壳的内侧面焊接有上下两层梁，每层等角度布置三个梁，上下两层梁相互错开，即第一层梁在六棱柱形外壳的奇数内侧面，第二层梁在六棱柱形外壳的偶数内侧面；
所述梁的上下表面各布置一个压电片，且每个梁的上下表面的压电片并联，再与同一层梁上的压电片串联组成第一层压电片组，第二层压电片组和第一层压电片组相同，两组压电片组之间并联；
所述六棱柱形壳体中央布置一个圆台体，所述圆台体底端与六棱柱形壳体底部螺纹连接，当圆台体旋入六棱柱形壳体底部螺纹一半长度时，所述梁和圆台体之间刚好接触；所述圆台体可通过旋转上下移动，改变施加在梁上的应力；所述圆台体上粗下细。
进一步，所述六棱柱外壳的材料为铝合金；所述六个梁的厚度均不相同，截面形状为矩形，材料为合金钢；所述压电片的材料为聚偏氟乙烯。
本发明的有益效果为：本发明通过选择压电片的材料、布置方式及连接方式，扩大了俘能器的共振频带；另外，通过圆台体改变俘能器的共振频带，提高了振动能量回收效率。本发明适用的场合更广，并且本发明结构简单，体积较小，可充分回收振动能量，供给微机电***使用。
附图说明
图1为本发明一种压电式振动俘能器的结构示意图。
图2为本发明一种压电式振动俘能器的主视图。
图3为本发明一种压电式振动俘能器的俯视图。
图4为本发明一种压电式振动俘能器的能量回收电路图。
其中：1-压电片，2-六棱柱形外壳，3-梁，4-圆台体。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明利用压电片的d31耦合工作模式，即作用力方向与压电片的极化方向垂直，采用梁结构回收发动机的振动能量，将振动能量转变为有用的电能，本发明中的梁上可布置重物来降低俘能器的共振频率。
如图1-3所示，一种压电式振动俘能器，包括压电片1、中空的六棱柱形外壳2、梁3、圆台体4；六棱柱外壳2的材料为铝合金；六棱柱形外壳2的内侧面焊接有上下两层梁3，每层等角度布置三个梁3，上下两层梁3相互错开，即第一层梁3在六棱柱形外壳2的奇数内侧面，第二层梁3在六棱柱形外壳2的偶数内侧面，如图3所示，A、C、E为偶数内侧面，B、D、F为奇数内侧面，这样的设计避免了每个梁3之间的运动干涉；六个梁3的厚度均不相同，六个梁3厚度之间的大小关系为：3-1＞3-2＞3-3＞3-4＞3-5＞3-6(图3)，由于六个梁的厚度不同，每个梁有各自的振动频率，这样振动俘能器就有六个不同的共振频率，从而整个振动俘能器拥有较宽的共振频带；梁3的截面形状为矩形，材料为合金钢；梁3的上下表面各布置一个压电片1，压电片1的材料为聚偏氟乙烯；为了使俘能器的振动能量回收效率较高，每个梁3的上下表面的压电片1并联；再与同一层梁3上的压电片1串联组成第一层压电片组，第二层压电片组和第一层压电片组相同，两组压电片组之间并联，拓宽了共振频带；六棱柱形壳体2中央布置一个圆台体4，圆台体4底端与六棱柱形壳体2底部螺纹连接，当圆台体4旋入六棱柱形壳体2底部螺纹一半长度时，所述梁3和圆台体4之间刚好接触，但两者之间接触力为零；圆台体4可通过旋转上下移动，改变施加在梁3上的应力，即顺时针转动圆台体4，可以增加各梁3上的应力，逆时针旋转锥形体4，可以减少各梁3上的应力，从而改变俘能器的共振频带，获得更多的振动能量，以适应不同的外界激励频率；圆台体4上粗下细，圆台体4顶部直径和底部直径的比为3:2，圆台体4顶部直径减去底部直径的值与圆台体4高度的比为1:10。
图4所示为本发明一种压电式振动俘能器所采用的能量回收电路，分别从梁3-1及梁3-5上表面的压电片1引出一根导线，通过这两根导线将振动俘能器接入能量回收电路；图4中能量回收电路包括：一个整流电路、一个串联SSHI电路和一个自适应电路，整流电路将俘能器获得的交流电转化为直流电，串联的SSHI电路增大压电片1的开路输出电压；自适应电路回收电能与振动俘能器的振动同步，也被称为同步电荷提取(SECE)技术，自适应电路输出功率与后续电路负载无关，即对任意负载的输出功率都是最优的；俘能器收集的能量经整流电路、串联SSHI电路、自适应电路和滤波电容后进行使用或储存。
本发明中的振动俘能器可直接焊接在发动机的壳体中央，按照要求连接好各个压电片，经能量回收电路后采用超级电容储存收集到的能量，收集的能量可以供微机电设备使用。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种压电式振动俘能器，其特征在于，包括压电片(1)、中空的六棱柱形外壳(2)、梁(3)、圆台体(4)；
所述六棱柱形外壳(2)的内侧面焊接有上下两层梁(3)，每层等角度布置三个梁(3)，上下两层梁(3)相互错开，即第一层梁(3)在六棱柱形外壳(2)的奇数内侧面，第二层梁(3)在六棱柱形外壳(2)的偶数内侧面；
所述梁(3)的上下表面各布置一个压电片(1)，且每个梁(3)的上下表面的压电片(1)并联，再与同一层梁(3)上的压电片(1)串联组成第一层压电片组，第二层压电片组和第一层压电片组相同，两组压电片组之间并联；
所述六棱柱形壳体(2)中央布置一个圆台体(4)，所述圆台体(4)底端与六棱柱形壳体(2)底部螺纹连接，当圆台体(4)旋入六棱柱形壳体(2)底部螺纹一半长度时，所述梁(3)和圆台体(4)之间刚好接触；所述圆台体(4)可通过旋转上下移动，改变施加在梁(3)上的应力，所述圆台体(4)上粗下细。
2.如权利要求1所述的一种压电式振动俘能器，其特征在于，所述六棱柱外壳(2)的材料为铝合金。
3.如权利要求1所述的一种压电式振动俘能器，其特征在于，所述六个梁(3)的厚度均不相同，截面形状为矩形，材料为合金钢。
4.如权利要求1所述的一种压电式振动俘能器，其特征在于，所述压电片(1)的材料为聚偏氟乙烯。
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