CN112532109B - 一种低频受压模式压电能量收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低频受压模式压电能量收集器，包括弹簧振子模块与能量收集模块。其中弹簧振子模块包括一个不锈钢振子、两条导向轨、两根弹簧和两个限位塞。通过不锈钢振子与弹簧的碰撞，将低频振动转换为高频振动，再通过限位塞与导向轨将振动信号传导到能量收集模块。能量收集模块包括两个菱形伸缩架结构、一个顶部旋转轴、一个底部旋转轴、两个转接器、两个夹持器和一个压电板。通过设置的菱形伸缩架机构，将振动力放大为压缩力，进而通过夹持器施加在压电板上，从而产生电能。

Description

一种低频受压模式压电能量收集器
技术领域
本发明涉及能量收集器技术领域，特别是涉及一种低频受压模式压电能量收集器。
背景技术
压电能量收集器(PEH)是一种能够将机械能转换为电能的有效装置。其采用压电材料作为能量转换的装置，具有功率密度大、易于安装的特性。此外，传统能源(比如化学电池)具有许多缺点，比如使用寿命受限、污染环境等缺陷，其会在当今快速发展的工业环境中被进一步被放大。为了弥补这些缺点，从周围环境中收集能量变成了人们研究的一个前沿热点，在近几十年来广受青睐。
自然界随处可见振动能量。风、人体运动、以及潮汐运动都是低于10赫兹的低频振动，其中蕴藏有大量的振动能量可供收集。但是，现阶段大部分能量收集器的目标工作区间都是数十赫兹到数百赫兹的中高频区间，很少有研究涉及低频振动的能量收集。
受压工作模式是压电能量收集中的一种常见的工作模式。其工作原理利用了压电材料(PZT)的正压电效应，具体过程为：通过施加与压电材料极化方向相同的力，从而在压电材料表面产生电势差，完成机械能与电能之间转化。受压工作模式具有产生电压高、工作时间长等特点，受到研究人员的广泛青睐。
菱形伸缩架为四个杆件彼此铰链连接而成的结构，其能够充分利用材料的强度，承受较大拉力与压力。因此，菱形伸缩架是一种配合受压模式下压电能量收集的理想结构。但是极少有研究人员设计以菱形伸缩架为基础的压电能量收集器。
由此可见，设计一种用于能够以菱形伸缩架为基础的、收集低频的、受压模式的压电能量收集器，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低频受压模式压电能量收集器，以解决上述现有技术存在的问题，能量收集装置能够周围环境中较低频率的能量，获得较高的电能输出。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种低频受压模式压电能量收集器，包括弹簧振子模块和压电能量收集模块；所述弹簧振子模块包括振子、弹簧、导杆和限位塞，所述振子上设置有导向孔，所述导向孔内穿设所述导杆，所述限位塞设置于所述导杆的底部，所述弹簧套设于所述限位塞与所述振子之间的所述导杆上；所述压电能量收集模块包括菱形伸缩架一、菱形伸缩架二、转换器、底部转轴、顶部转轴、夹持器一、夹持器二和压电板，所述转换器固定于所述导杆的顶端，所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二分别设置于所述转换器的两侧，所述底部转轴的轴体穿过所述转换器，所述底部转轴的轴体两端分别与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的底部铰接点铰接连接，所述顶部转轴的轴体两端分别与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的顶部铰接点铰接连接，所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的两侧铰接点分别通过所述夹持器一和所述夹持器二连接，且所述夹持器一和所述夹持器二的两端通过转轴与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二铰接；所述夹持器一和所述夹持器二之间夹持所述压电板。
优选地，所述振子为不锈钢振子。
优选地，所述导杆设置有两个，相对的所述导向孔、所述弹簧和所述限位塞均设置有两个。
优选地，所述导杆底部与所述限位塞螺纹连接。
优选地，所述弹簧的顶部与所述振子接触设置，所述弹簧的底端与所述限位塞接触设置。
优选地，所述转换器设置有两个，分别设置于两个所述导杆的顶端，所述底部转轴依次穿过两个所述转换器。
优选地，所述夹持器一和所述夹持器二相对的内侧设置有夹槽，所述压电板夹持于所述夹槽内。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1)本发明用于收集低频振动能量，低频振动能量在自然界中广泛存在，但是很少有能量收集器涉及。
2)本发明中，收集的振动能量来自于不锈钢振子的动能与重力势能，这是一种在自然界中易于获得的能量，极大地扩宽了能量收集器的工作环境
3)本发明中，通过不锈钢振子与弹簧之间的碰撞，将低频振动转换为高频振动，从而便于能量收集模块使用。
4)本发明中，利用伸缩架结构，将输入的振动力进行放大，从而提高装置的输出电压。
5)本发明中，压电材料工作在受压模式中，该模式下压电材料能够承受较大的压力，因此能够产生较多的电能。
6)本发明中，利用导杆，限制不锈钢振子的运动方向，以及传导弹簧振子模块的振动能量，一举多得，极大地简化了装置结构。
7)本发明使用环境多样，可以收集风能、人体运动能、潮汐波浪能等多种低频运动能量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中低频受压模式压电能量收集器的***示图；
图2为本发明中低频受压模式压电能量收集器的立体装配图；
图3为本发明中低频受压模式压电能量收集器的工作原理图；
图4为本发明中低频受压模式压电能量收集器的菱形伸缩架的受力分析图；
图中：1-菱形伸缩架一、2-夹持器一、3-转换器一、4-导杆一、5-振子、6-弹簧一、7-限位塞一、8-限位塞二、9-弹簧二、10-导杆二、11-转换器二、12-底部转轴、13-菱形伸缩架二、14-夹持器二、15-压电板、16-顶部转轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种低频受压模式压电能量收集器，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的低频受压模式压电能量收集器，如图1、图2所示，包括弹簧振子模块和压电能量收集模块；弹簧振子模块包括振子5、弹簧、导杆和限位塞，振子5上设置有导向孔，导向孔内穿设导杆，限位塞设置于导杆的底部，弹簧套设于限位塞与振子5之间的导杆上；压电能量收集模块包括菱形伸缩架一1、菱形伸缩架二13、转换器、底部转轴12、顶部转轴16、夹持器一2、夹持器二14和压电板15，转换器固定于导杆的顶端，菱形伸缩架一1和菱形伸缩架二13分别设置于转换器的两侧，底部转轴12的轴体穿过转换器，底部转轴12的轴体两端分别与菱形伸缩架一1和菱形伸缩架二13的底部铰接点铰接连接，顶部转轴16的轴体两端分别与菱形伸缩架一1和菱形伸缩架二13的顶部铰接点铰接连接，菱形伸缩架一1和菱形伸缩架二13的两侧铰接点分别通过夹持器一2和夹持器二14连接，且夹持器一2和夹持器二14的两端通过转轴与菱形伸缩架一1和菱形伸缩架二13铰接；夹持器一2和夹持器二14之间夹持压电板15。
于本具体实施例中，振子5为不锈钢振子。
于本具体实施例中，导杆设置有两个，包括导杆一4和导杆二10，相对的导向孔、弹簧和限位塞均设置有两个，弹簧为弹簧一6和弹簧二9，限位塞为限位塞一7和限位塞二8；导杆一4和导杆二10底部与限位塞螺纹连接；弹簧一6和弹簧二9的顶部分别与振子5一和振子5二接触设置，弹簧一6和弹簧二9的底端分别与限位塞一7和限位塞二8接触设置。
于本具体实施例中，转换器设置有两个，包括转换器一3和转换器二11，分别设置于导杆一4和导杆二10的顶端，底部转轴12依次穿过转换器一3和转换器二11。
于本具体实施例中，夹持器一2和夹持器二14相对的内侧设置有夹槽，压电板15夹持于夹槽内。
在压电能量收集器受到低频振动时，振子5与弹簧一6、弹簧二9发生碰撞，使得低频振动转换为高频振动。弹簧一6、弹簧二9作用力于限位塞一7、限位塞二8上，从而将高频振动传递到导杆一与导杆二，进而将振动信号导入能量收集模块。在能量收集模块中，导杆一4、导杆二10传入的振动分别通过转换器一3、转换器二11施加在底部转轴12上，从而对菱形伸缩架一1、菱形伸缩架二13施加一个拉力。菱形伸缩架一1、菱形伸缩架二13受力运动，因此夹持器一2、夹持器二14向中心挤压压电板15，从而使得压电板15产生电能。
如图3所示，为压电能量收集器的原理图，包括一个弹簧振子模块与一个能量收集模块。能量收集器在工作时，不锈钢振子与弹簧相互碰撞，使得低频振动转换为高频振动。之后通过传导，振动信号输入能量收集模块。菱形伸缩架结构将振动力放大为压缩力，施加在压电板15上，从而产生电能。
菱形伸缩架输出的力为：F输出＝λ放大×F输入
压电板15输出电压为：
Figure BDA0002825791340000051
式中的g31是压电常数，h为压电元件的厚度，A为施加力的横截面积。
如图4所示，是菱形伸缩架机构工作的受力分析图。根据几何关系可知，菱形伸缩架机构的输入力与输出力之间的关系为：
Figure BDA0002825791340000052
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：包括弹簧振子模块和压电能量收集模块；所述弹簧振子模块包括振子、弹簧、导杆和限位塞，所述振子上设置有导向孔，所述导向孔内穿设所述导杆，所述限位塞设置于所述导杆的底部，所述弹簧套设于所述限位塞与所述振子之间的所述导杆上；所述压电能量收集模块包括菱形伸缩架一、菱形伸缩架二、转换器、底部转轴、顶部转轴、夹持器一、夹持器二和压电板，所述转换器固定于所述导杆的顶端，所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二分别设置于所述转换器的两侧，所述底部转轴的轴体穿过所述转换器，所述底部转轴的轴体两端分别与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的底部铰接点铰接连接，所述顶部转轴的轴体两端分别与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的顶部铰接点铰接连接，所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二的两侧铰接点分别通过所述夹持器一和所述夹持器二连接，且所述夹持器一和所述夹持器二的两端通过转轴与所述菱形伸缩架一和所述菱形伸缩架二铰接；所述夹持器一和所述夹持器二之间夹持所述压电板。
2.根据权利要求1所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述振子为不锈钢振子。
3.根据权利要求1所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述导杆设置有两个，相对的所述导向孔、所述弹簧和所述限位塞均设置有两个。
4.根据权利要求3所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述导杆底部与所述限位塞螺纹连接。
5.根据权利要求3所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述弹簧的顶部与所述振子接触设置，所述弹簧的底端与所述限位塞接触设置。
6.根据权利要求3所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述转换器设置有两个，分别设置于两个所述导杆的顶端，所述底部转轴依次穿过两个所述转换器。
7.根据权利要求1所述的低频受压模式压电能量收集器，其特征在于：所述夹持器一和所述夹持器二相对的内侧设置有夹槽，所述压电板夹持于所述夹槽内。
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