CN106899234B - 一种压电式多向振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种压电式多向振动能量收集装置，用于解决现有压电式能量收集装置存在的收集方向单一和频带宽度窄的技术问题，包括固定座、设置在固定座上的支架、内梁、外梁、弹性元件、支撑杆、环形元件、第一磁性块和第二磁性块；内梁包括第一弹性基板、粘贴在第一弹性基板固定端的第一压电片和粘贴在第一压电片上的第一电极；外梁包括第二弹性基板、粘贴在第二弹性基板固定端的第二压电片和粘贴在第二压电片上的第二电极；第二弹性基板固定在支架上，第一弹性基板、弹性元件和支撑杆位于第二弹性基板的缺口内，且第一弹性基板与第二弹性基板垂直；第一弹性基板的固定端与弹性元件的自由端固定，并通过环形元件悬挂在支撑杆的自由端。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，涉及一种能量收集装置，具体涉及一种压电式多向振动能量收集装置，可用于对多方向振动能和复杂振动能的收集。
背景技术
能量收集装置能够从周围的环境中获取能量，并将其转换为电能，达到了能量回收和重复利用的目的。随着无线传感器技术和微电子技术的快速发展，对微能源的需求越来越迫切。传统的电池供电方式，由于更换电池的频繁以及维护成本的高昂，对人类的生产和生活带来了诸多的不便。而能量收集装置可以对环境中未被利用的能源进行收集、再利用，从而为低功耗电子设备和器件进行自供电，有效的解决了运用电池所带来的诸多问题。因此，引起了国内外学者的广泛关注。
目前，可以从环境中获取的能量源主要包括太阳能、热梯度能和机械振动能，其中，机械振动能是普遍存在的，并且很容易转换为电能，是一种很有前景且十分高效的能量获取方式。获取机械振动能的类型主要有压电式、静电式以及电磁式，其中，压电式振动能量收集器具有易集成、能量输出密度大、无需外接电源、结构简单等优点，被认为是最有希望替代传统电池的新的供能方式。其结构类型有悬臂梁式、Cymbal式、堆叠式等，悬臂梁结构是压电能量收集器的主流结构，已经取得了一些研究成果。
传统的压电式振动能量收集装置，包括基座、弹性基板、压电片、质量块和两个电极。弹性基板的一端固定在基座上，另一端设置一质量块，用于调整压电能量收集装置自身的谐振频率。其中压电片均匀的粘贴在弹性基板上表面，在感知到外部振动时，根据正压电效应在压电片表面就会有电荷输出，焊接在压电片上表面和弹性基板下表面的两个电极将压电片表面的电荷输出给后端电能存储或用电器设备，从而有效的将环境中机械振动能转换为电能并加以存储和利用。例如：授权公告号为CN103269179B，名称为“一种压电片及振动能量收集器”的发明专利，公开了一种压电片及振动能量收集器，包括压电片、用于固定压电片的基座和设置于压电片自由端的质量块，该压电片包括压电本体及涂布于压电片本体上、下表面和两个侧面上的上表面电极、下表面电极以及两个侧面电极，其中，两个侧面电极和上表面电极、下表面电极垂直且之间不连通，压电片的每个电极分别引出导线作为输出接口。该收集器，利用所处环境中的低频振动驱动基座振动，以使压电片产生弯曲形变。该压电式能量收集装置结构简单，易于实现，但由于频带宽度较小、谐振频率较高且只能收集单一方向的振动能，而环境中的振动方向多变，且环境振动频率较低。因此，传统的压电式能量收集装置具有较大的局限性，无法满足高效的能量收集需求。
为了提高传统压电式能量收集装置的能量收集效率，科研人员提出了多种改善传统能量收集装置性能的方法。例如：授权公告号为CN103647475B，名称为“一种宽频压电振动能量收集装置”的发明专利，提供了一种宽频压电振动能量收集装置，包括至少为两个阵列分布的悬臂梁、质量块、碰撞尖端、固定支架、压电片和基底；悬臂梁的一端与固定支架连接，悬臂梁的自由端下表面固定有碰撞尖端；质量块与悬臂梁一一对应，并固定于悬臂梁的自由端；压电片位于基底表面；压电片设置有上电极和下电极；基底位于阵列分布的悬臂梁的正下方，且固定于固定支架上。通过利用阵列式悬臂梁把外界振动转变为悬臂梁对基底的机械撞击，使设置于基底表面的压电片产生形变，进而转化为电能形式输出。根据实际环境中的振动源频率范围，设计悬臂梁的个数和谐振频率，使阵列式悬臂梁的谐振频率范围覆盖环境中振动源频带宽度，实现宽频的能量收集。授权公告号为CN102064745B，名称为“一种双稳压电悬臂梁阵子装置”的发明专利，利用永磁铁之间的非线性斥力，可以使压电悬臂梁阵子构成一个非线性双稳态***，在一定条件下双稳态压电悬臂梁阵子会产生随机共振现象，能够明显提高宽带低频振动环境下的压电振动发电效率，特别适合于宽带、低频、小幅振动能量的高效捕获。尽管以上压电振动能量收集装置在一定程度上提高了频带宽度，但均只能收集单一方向的振动能量，因此具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种压电式多向振动能量收集装置，用于解决现有压电式振动能量收集装置中存在的因能量收集方向单一、频带宽度小导致的能量收集效率低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压电式多向振动能量收集装置，包括固定座1、设置在固定座1上的支架2、内梁3、外梁4、弹性元件5、支撑杆6、环形元件7、第一磁性块8和第二磁性块9，其中：
所述内梁3，包括第一弹性基板31、粘贴在第一弹性基板31固定端一端板面上的第一压电片32和粘贴在第一压电片32上的第一电极33；所述第一弹性基板31采用轻质导电矩形板材；所述第一压电片32采用具有正压电效应的材料；所述第一电极33采用金属导电材料，用于输出第一压电片32产生的电能；
所述外梁4，包括第二弹性基板41、粘贴在第二弹性基板41固定端一端板面上的第二压电片42和粘贴在第二压电片42上的第二电极43；所述第二弹性基板41采用轻质导电矩形板材，其固定端设置有矩形缺口，形成U型结构；所述第二压电片42采用具有正压电效应的材料；所述第二电极43采用金属导电材料，用于输出第二压电片42产生的电能；
所述第二弹性基板41固定在支架2上，用于在环境振动条件下产生偏离平衡位置的y方向的振动，并通过第二压电片42将其转化为电能；所述弹性元件5固定在支架2上位于第二弹性基板41的缺口处，用于感知外界环境在x方向的振动能，并将其传递给内梁3；所述支撑杆6固定在弹性元件5的上方；所述第一弹性基板31位于第二弹性基板41的缺口内，且与第二弹性基板41垂直，该第一弹性基板31的固定端与弹性元件5的自由端固定，并通过环形元件7悬挂在支撑杆6的自由端，用于在环境振动条件下产生偏离平衡位置的z方向的振动，并通过第一压电片32将其转化为电能；所述第一磁性块8固定在第一弹性基板31的自由端，用于调节内梁3的谐振频率；所述第二磁性块9固定在第二弹性基板41的自由端，用于调节外梁4的谐振频率，并实现与第一磁性块8之间的磁耦合。
上述的一种压电式多向振动能量收集装置，所述第一压电片32，其粘贴在第一弹性基板31板面的一侧或两侧。
上述的一种压电式多向振动能量收集装置，所述第二压电片42，其粘贴在第二弹性基板41板面的一侧或两侧。
上述的一种压电式多向振动能量收集装置，所述第二弹性基板41，其U型结构为对称U型结构。
上述的一种压电式多向振动能量收集装置，所述第一磁性块8，固定在第一弹性基板31自由端的中间位置。
上述的一种压电式多向振动能量收集装置，所述第二磁性块9，固定在第二弹性基板41自由端的中间位置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明由于采用第一弹性基板与第二弹性基板垂直固定的结构，能够收集垂直于第一弹性基板板面和垂直于第二弹性基板板面的两个正交方向的振动能，同时采用第一弹性基板的固定端与弹性元件相连接的结构，由于弹性元件可以作为机械能缓冲器，可感知外界环境在x方向的振动能，并将其传递给内梁，触发内梁振动，从而使该能量收集装置能够收集平行于弹性基板板面的振动能，因此拓展了能量收集装置的能量收集维度，与现有技术中只能收集单一方向的能量收集装置相比，有效地提高了能量收集效率。
2.本发明采用第一磁性块和第二磁性块，通过两个磁性块之间的相互耦合，可将内梁的能量耦合给外梁，防止内梁因形变过大而发生断裂。同时，两个磁性块之间的磁耦合可以引起频率上变频，从而拓宽了该能量收集装置的频带宽度，进一步提高了能量收集效率。
附图说明
图1是本发明具体实施例的整体结构示意图；
图2是任意方向振动能在三维空间中的正交分解图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种压电式多向振动能量收集装置，包括固定座1、设置在固定座1上的支架2、内梁3、外梁4、弹性元件5、支撑杆6、环形元件7、第一磁性块8和第二磁性块9，其中：内梁3，包括第一弹性基板31、粘贴在第一弹性基板31固定端的第一压电片32和粘贴在第一压电片32上的第一电极33；外梁4，包括第二弹性基板41、粘贴在第二弹性基板41固定端的第二压电片42和粘贴在第二压电片42上的第二电极43，其中第二弹性基板的固定端设置有矩形缺口，形成U型结构。该U型结构可为对称结构或非对称结构，本实例中采用对称U型结构。本实例中固定座1采用长方体型的亚克力板材料；支架2仍采用亚克力板材料定制的结构；第一弹性基板31和第二弹性基板41均采用轻质的矩形铜片；为了保证内梁3和外梁4具有较大的弹性模量和静态电容，第一弹性基板31和第二弹性基板41均采用弹性良导体材料，本实例中选用性能优越的铜片制成。为了改善传统压电材料的性能参数，进而提高能量收集和转化的效率，第一压电片31和第二压电片41采用压电复合材料。第一压电片31可以粘贴在第一弹性基板31的上表面、下表面或上下表面均粘贴，本实例中采用第一弹性基板31的上表面粘贴一个压电片，形成单晶压电阵子。第二压电片41可以粘贴在第二弹性基板41的外表面、内表面或内外表面均粘贴，本实例中采用在第二弹性基板41的外表面粘贴两片压电片的方式。第一电极33和第二电极43采用金属锡，并用导电性能良好、电阻率低的铜线接入外电路中，从而减少不必要的功率损耗，提高能量收集装置的收集效率。弹性元件采用压缩型金属弹簧，其劲度系数为20N/cm、线径1mm、外径8mm、长度30mm；支撑杆6采用轻质的圆柱体型的钢制细杆，其长度为35mm、直径3mm；环形元件7采用直径为15mm的圆形铁环，其线径为2mm；第一磁性块8和第二磁性块9均采用磁铁块，两个磁铁块的尺寸均为：长15mm、宽15mm、高15mm。
本实例中，将支架2运用AB胶牢固的粘贴在固定座1上，在安装时确保支架2与固定座1的接触面均匀的涂抹上胶水。第二弹性基板41、弹性元件5和支撑杆6均固定在支架2上，且弹性元件5和支撑杆6均位于第二弹性基板41的缺口处，支撑杆6固定在弹性元件5的上方。在安装时确保第二弹性基板41、弹性元件5和支撑杆6的安装位置在支架2上的一条直线上，并且该直线与第二弹性基板41所形成的U型结构的内边平行。第一弹性基板31与弹性元件5采用胶粘方式固定，即将弹性元件5的自由端与第一弹性基板31的宽边相固定，并保证第一弹性基板31位于第二弹性基板41的缺口之内。由于第一弹性基板31与第二弹性基板41安装时可以成不同的夹角，且第一弹性基板31可以在第二弹性基板41的缺口之外。为了确保该能量收集装置具有最优的性能，本实例中采用第一弹性基板31与第二弹性基板41垂直固定的方式，且第一弹性基板31在长度方向的对称轴与第二弹性基板41的对称轴线相互重合，即使第一弹性基板31和第二弹性基板正对垂直固定。为了避免弹性元件5因连接第一弹性基板31后产生形变，采用一个环形元件7将第一弹性基板31悬挂在支撑杆6的自由端，本实例中为了避免环形元件7和支撑杆6因接触面之间存在的摩擦力影响该压电式多向振动能量收集装置的性能，采用了在环形元件7和支撑杆6的接触面涂抹润滑油的方式，以消除摩擦力的影响。为了调节内梁3和外梁4的谐振频率，使其能够匹配环境中的振动频率，以使其发生谐振，从而产生最大的输出电压，在第一弹性基板31和第二弹性基板41的自由端的中间位置分别用胶水粘贴第一磁性块8和第二磁性块9，且第一磁性块8和第二磁性块9按照正对面积最大且磁极为同极的方式固定，本实例中，第一磁性块8和第二磁性块9的水平初始距离为7mm。
该压电式多向振动能量收集装置，其工作原理如下：
建立三维空间坐标系，定义与内梁3和外梁4长度方向平行的方向为x方向，与弹性基板41板面垂直的方向为y方向，与弹性基板31板面垂直的方向为z方向。弹性基板31可以感知z方向的振动能，并利用第一压电片32将振动能转化为电能，通过与第一电极33连接的引线输出。弹性基板41可以感知y方向的振动能，并利用第二压电片42将振动能转化为电能，通过与第二电极43连接的引线输出。弹性元件5可以感知x方向的振动能，并作为能量缓冲器将振动能存储为势能，并释放给内梁3，触发内梁3振动，从而将x方向的振动能转换为电能。在x方向和z方向的振动下，内梁3产生偏离平衡位置的振动，从而改变了第一磁性块8和第二磁性块9之间的间距，引起了两磁性块的磁耦合，从而将振动能通过内梁3耦合至外梁4，触发外梁4振动，使外梁4产生电压输出。在y方向的振动下，外梁4产生偏离平衡位置的振动，从而改变了第一磁性块8和第二磁性块9之间的间距，引起了两磁性块的磁耦合，从而将振动能通过外梁4耦合至内梁3，触发内梁3振动，使内梁3产生输出电压。由于第一磁性块8和第二磁性块9的磁耦合作用，引起了频率上变频，从而扩展了内梁3和外梁4的频带宽度，提高了输出电压和输出功率。
参照图2，根据三维空间中的正交分解原理，即三维空间中的任意一个向量u均可被分解在x、y和z三个坐标轴上，本实例中，该向量u与x轴、y轴和z轴的方向角分别是α、β、γ，因此，在三维空间中的任意一个方向的振动均可被分解在x方向、y方向和z方向上。由于本发明提出的压电式振动能量收集装置能够收集x、y和z三个方向上的振动能，所以本发明提出的压电式振动能量收集装置可以收集三维空间中任意一个方向的振动能。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，包括固定座(1)、设置在固定座(1)上的支架(2)、内梁(3)、外梁(4)、弹性元件(5)、支撑杆(6)、环形元件(7)、第一磁性块(8)和第二磁性块(9)，其中：
所述内梁(3)，包括第一弹性基板(31)、粘贴在第一弹性基板(31)固定端一端板面上的第一压电片(32)和粘贴在第一压电片(32)上的第一电极(33)；所述第一弹性基板(31)采用轻质导电矩形板材；所述第一压电片(32)采用具有正压电效应的材料；所述第一电极(33)采用金属导电材料，用于输出第一压电片(32)产生的电能；
所述外梁(4)，包括第二弹性基板(41)、粘贴在第二弹性基板(41)固定端一端板面上的第二压电片(42)和粘贴在第二压电片(42)上的第二电极(43)；所述第二弹性基板(41)采用轻质导电矩形板材，其固定端设置有矩形缺口，形成U型结构；所述第二压电片(42)采用具有正压电效应的材料；所述第二电极(43)采用金属导电材料，用于输出第二压电片(42)产生的电能；
所述第二弹性基板(41)固定在支架(2)上，用于在外界环境振动条件下产生偏离平衡位置的y方向的振动，并通过第二压电片(42)将其转化为电能；所述弹性元件(5)固定在支架(2)上位于第二弹性基板(41)的缺口处，用于感知外界环境在x方向的振动能，并将其传递给内梁(3)；所述支撑杆(6)固定在支架(2)上，且位于弹性元件(5)的上方；所述第一弹性基板(31)位于第二弹性基板(41)的缺口内，且与第二弹性基板(41)垂直，该第一弹性基板(31)的固定端与弹性元件(5)的自由端固定，并通过环形元件(7)悬挂在支撑杆(6)的自由端，用于在外界环境振动条件下产生偏离平衡位置的z方向的振动，并通过第一压电片(32)将其转化为电能；所述第一磁性块(8)固定在第一弹性基板(31)的自由端，用于调节内梁(3)的谐振频率；所述第二磁性块(9)固定在第二弹性基板(41)的自由端，用于调节外梁(4)的谐振频率，并实现与第一磁性块(8)之间的磁耦合。
2.根据权利要求1所述的一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，所述第一压电片(32)，其粘贴在第一弹性基板(31)板面的一侧或两侧。
3.根据权利要求1所述的一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，所述第二压电片(42)，其粘贴在第二弹性基板(41)板面的一侧或两侧。
4.根据权利要求1所述的一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，所述第二弹性基板(41)，其U型结构为对称U型结构。
5.根据权利要求1所述的一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，所述第一磁性块(8)，固定在第一弹性基板(31)自由端的中间位置。
6.根据权利要求1所述的一种压电式多向振动能量收集装置，其特征在于，所述第二磁性块(9)，固定在第二弹性基板(41)自由端的中间位置。
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