CN101728974B - 多层梁式压电发电机及其发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层梁式压电发电机，包括若干个压电复合板，所述压电复合板包括压电元件和弹性金属体，所述压电元件分别连接于弹性金属体的上下表面；压电复合板的一端与机架固定连接，另一端与传力块刚性连接；所述若干个压电复合板之间通过传力块刚性连接，并呈现棱柱体或长方体阵列分布。本发明还提供了由上述发电机实现的发电方法，即通过弹性金属体的弯曲弹性变形转换为压电元件的压电效应，形成交变电势；并通过整流变换输出直流电或将直流电储存。本发明具有结构简单、电荷产生量大、压电转换效率较高、刚度大、无电磁场作用、体积小、可串并联组合等优点，可将振动能量转换为有用的电能储存至电容或可充电电池中，以供使用。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，特别是涉及一种压电发电机及其发电方法。
背景技术
压电发电机是一种能量转换装置，是利用压电陶瓷的压电效应，将机械振动转换成电能，具有结构简单、重量轻、无噪声、工作可靠等优点，已应用于多个领域，特别是应用于光电子技术领域的无线网络。目前，现有的压电发电机一般采用单个的圆环形压电复合板来进行发电，这种结构虽然具有易于发电、结构简单等优点，但由于采用单个的压电复合板，因此不能承载过大的交变载荷来产生电量，普遍存在着产生的电荷量小、功率低、刚度低、承载量小和压电转换效率低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理，电荷产生量大、功率大、刚度大、压电转换效率较高的多层梁式压电发电机。
本发明的另一目的在于提供一种由上述多层梁式压电发电机实现的发电方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种多层梁式压电发电机，包括若干个压电复合板，所述压电复合板包括压电元件和弹性金属体，所述压电元件分别连接于弹性金属体的上下表面；压电复合板的一端与机架固定连接，另一端与传力块刚性连接，呈现梁状结构；所述若干个压电复合板之间通过传力块刚性连接，并呈现棱柱体或长方体阵列分布。所述传力块优选具有一定刚度的弹簧。
所述弹性金属体为矩形或梯形结构。
所述压电元件为若干层压电陶瓷片，其层数为偶数层。
所述压电元件为矩形或梯形结构，且沿厚度方向极化。
所述压电陶瓷片之间通过环氧树脂相互贴合，且压电陶瓷片相邻层之间反向粘贴；所述压电元件分别通过环氧树脂粘贴连接于弹性金属体的上下表面。
所述若干个压电复合板沿厚度方向固定于机架上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，并均匀固定于机架上。
所述压电复合板梁组之间以传力块为中心，对称固定于两侧的机架上，并呈现长方体状阵列分布；或所述压电复合板梁组之间以传力块为中心，均匀固定于周围的机架上，所述压电复合板间呈现正棱柱体状阵列分布。
所述正棱柱体优选为正三棱柱体、正四棱柱体或正六棱柱体。
所述传力块为若干个，所述传力块与传力块之间、传力块与压电复合板之间均通过螺栓连接。
由上述的多层梁式压电发电机实现的发电方法：在传力块上输入振动信号，以使弹性金属体发生弯曲弹性变形；弹性金属体的弯曲弹性变形转换为压电元件的压电效应，并在压电元件的上下表面产生电荷，形成交变电势；所述交变电势通过整流滤波电路进行整流变换，并通过超低功耗数字处理芯片进行控制输出直流电或将直流电储存起来，以供使用。所述超低功耗数字处理芯片优选MSP430超低功耗数字处理芯片，以降低发电消耗，高效率地收集电能供给负载电路使用。
本发明的作用原理是：当有交变力载荷作用在传力块上时，即在压电复合板梁组的自由端(与传力块连接的一端)输入振动信号，压电复合板的弹性金属体就会发生弯曲弹性变形，弹性金属体的弯曲变形转换为矩形或梯形压电陶瓷片的沿d33方向的压电效应，在矩形或梯形压电陶瓷片的上下表面产生电荷，形成电势，从而在其两极面产生交变电势。压电陶瓷片的共同接触区为信号输出端，与弹性金属体接触区为信号输出端的地线。在压电陶瓷片的两极面引线将此交变电势输入到整流滤波电路进行处理，并可通过电能回收，作为电源使用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用多个压电复合板组合构成多层梁式结构，大大提高了其刚度性和承载量大，可承载较大的交变力载荷，从而提高了振动输入量，同时也大大提高了压电转换效率。
2、本发明的压电复合板采用矩形或梯形结构的弹性金属体和沿厚度方向极化的压电陶瓷片构成，具有体积小、产生的电荷量大等优点。
3、本发明的发电机通过振动式发电，即通过作用在传力块上的交变力载荷，使得压电复合板发生弯曲弹性变形从而在压电陶瓷的两极面产生交变电势，可将振动能量转换为有用的电能储存至电容或可充电电池中，以供用电系统使用，具有可靠性高、电源转换效率高、无电磁场作用等优点。
4、本发明的压电复合板之间的排列方式可为长方体阵列或棱柱阵列方式排列，可根据使用需求，进行串联或并联连接，具有可串并联组合、连接方式灵活等优点。
5、本发明的方法中，产生的交变电势通过整流滤波电路进行整流变换，并通过MSP430超低功耗数字处理芯片进行控制输出直流电或将电能储存，可使得发电消耗大大降低，可平稳地、高效率地将交流电转换为直流电，以供用电系统使用。
附图说明
图1是本发明的第一种结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图2是图1所示单个压电复合板的结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图。
图3是本发明的第二种结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图4是本发明的第三种结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图。
图5是本发明的第四种结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图。
图6是本发明的第五种结构示意图，其中(a)为纵向剖视图，(b)为俯视图。
图7是本发明的第六种结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1～2示出了本实施例的具体结构图，本多层梁式压电发电机，包括若干个压电复合板4，如图2(a)所示，每个压电复合板4包括压电元件1、3和弹性金属体2，压电元件1、3分别连接于弹性金属体2的上下表面；如图1所示，压电复合板4的一端与机架6固定连接，另一端与传力块5刚性连接，且各个压电复合板之间通过传力块刚性连接。
如图1所示，若干个压电复合板4之间沿厚度方向固定于机架6上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组的个数为一组，固定于机架6上，各个压电复合板之间呈现长方体状阵列分布。
压电元件1、3均为双层压电陶瓷片；如图2(b)所示，压电元件1、3为矩形结构，且沿厚度方向极化。弹性金属体2为矩形结构。
压电陶瓷片之间通过环氧树脂相互贴合，且压电陶瓷片相邻层之间反向粘贴；压电元件分别通过环氧树脂粘贴连接于弹性金属体的上下表面。
由上述的多层梁式压电发电机实现的发电方法：在传力块上输入振动信号，以使弹性金属体发生弯曲弹性变形；弹性金属体的弯曲弹性变形转换为压电元件的压电效应，并在压电元件的上下表面产生电荷，形成交变电势；所述交变电势通过整流滤波电路进行整流变换，并通过MSP430超低功耗数字处理芯片进行控制输出直流电或将直流电储存起来，以降低发电消耗，高效率地收集电能供给负载电路使用。
实施例2
本实施例除下述特征外同实施例1：如图3(a)所示，所述若干个压电复合板4沿厚度方向固定于机架7上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，各压电复合板梁组之间以传力块8为中心，对称固定于两侧的机架7上，各压电复合板间呈现长方体状阵列分布。如图3(b)所示，压电复合板4为梯形结构，即压电元件和弹性金属体均为矩形结构。
实施例3
本实施例除下述特征外同实施例1：如图4(b)所示，压电复合板9为梯形结构，其中，压电元件和弹性金属体均为梯形结构，压电元件沿厚度方向极化。
如图4(a)所示，所述若干个压电复合板9沿厚度方向固定于机架10上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，各压电复合板梁组之间以传力块11为中心，均匀固定于周围的机架10上，各压电复合板之间呈现正三棱柱体状阵列分布。
实施例4
本实施例除下述特征外同实施例1：如图5(b)所示，压电复合板12为梯形结构，其中，压电元件和弹性金属体均为梯形结构，压电元件沿厚度方向极化。
如图5(a)所示，所述若干个压电复合板12沿厚度方向固定于机架13上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，各压电复合板梁组之间以传力块14为中心，均匀固定于周围的机架13上，各压电复合板间呈现正四棱柱体状阵列分布。
实施例5
本实施例除下述特征外同实施例1：如图6(b)所示，压电复合板15为梯形结构，其中，压电元件和弹性金属体均为梯形结构，压电元件沿厚度方向极化。
如图6所示，所述若干个压电复合板15沿厚度方向固定于机架16上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，各压电复合板梁组之间以传力块17为中心，均匀固定于周围的机架上，各压电复合板之间呈现正六棱柱体状阵列分布。
实施例6
本实施例除下述特征外同实施例1：如图7所示，所述传力块为两个，所述传力块19与传力块20之间、传力块19与压电复合板4之间均通过螺栓18连接。
实施例7
本实施例除下述特征外同实施例1：每个压电元件由四层压电陶瓷片构成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多层梁式压电发电机，包括若干个压电复合板，其特征在于：所述压电复合板包括压电元件和弹性金属体，所述压电元件分别连接于弹性金属体的上下表面；压电复合板的一端与机架固定连接，另一端与传力块刚性连接，呈现梁状结构；所述若干个压电复合板之间通过传力块刚性连接，并呈现棱柱体或长方体阵列分布。
2.根据权利要求1所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述弹性金属体为矩形或梯形结构。
3.根据权利要求1所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述压电元件为若干层压电陶瓷片，其层数为偶数层。
4.根据权利要求3所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述压电元件为矩形或梯形结构，且沿厚度方向极化。
5.根据权利要求4所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述压电陶瓷片之间通过环氧树脂相互贴合，且压电陶瓷片相邻层之间反向粘贴；所述压电元件分别通过环氧树脂粘贴连接于弹性金属体的上下表面。
6.根据权利要求1所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述若干个压电复合板沿厚度方向固定于机架上，形成压电复合板梁组；所述压电复合板梁组为若干组，并均匀固定于机架上。
7.根据权利要求6所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述压电复合板梁组之间以传力块为中心，对称固定于两侧的机架上，压电复合板间呈现长方体状阵列分布；或所述压电复合板梁组之间以传力块为中心，均匀固定于周围的机架上，所述压电复合板间呈现正棱柱体状阵列分布。
8.根据权利要求7所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述正棱柱体为正三棱柱体、正四棱柱体或正六棱柱体。
9.根据权利要求1所述的多层梁式压电发电机，其特征在于：所述传力块为若干个，所述传力块与传力块之间、传力块与压电复合板之间均通过螺栓连接。
10.由权利要求1～9任一项所述的多层梁式压电发电机实现的发电方法，其特征在于：在传力块上输入振动信号，以使弹性金属体发生弯曲弹性变形；弹性金属体的弯曲弹性变形转换为压电元件的压电效应，并在压电元件的上下表面产生电荷，形成交变电势；所述交变电势通过整流滤波电路进行整流变换，并通过超低功耗数字处理芯片进行控制输出直流电或将直流电储存起来，以供使用。
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