CN102473839A - 用于使压电弯曲元件弯曲的弯曲装置、用于借助于弯曲装置将机械能转换成电能的压电能量转换器和用于将机械能转换成电能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明说明一种用于使压电弯曲元件（2）弯曲的弯曲装置（1），具有：带有支承面（111）的工件（11），该支承面带有至少一个凸状拱形结构（1111）；带有相对支承面（121）的相对工件（12），该相对支承面带有与支承面的凸状拱形结构基本上相反的凹状拱形结构（1212）；和用于将工件和相对工件相对彼此移动为使得能够将支承面的凸状拱形结构引入到相对支承面的凹状拱形结构中的装置。为了能量转换，将弯曲元件、优选圆盘弯曲机布置在支承面和相对支承面之间的中间空间（13）中，使得由于工件和相对工件的相对彼此的移动而发生弯曲元件的弯曲。通过使用圆盘弯曲机，将机械能以高的效率转换成电能。通过设计工件连同其支承面保证了过载保护。本发明被使用在用于将机械能转换成电能的能量自给自足的系统中。
Description
技术领域
本发明涉及用于使压电弯曲元件弯曲的弯曲装置。此外，说明一种用于借助于弯曲装置将机械能转换成电能的压电能量转换器和一种用于将机械能转换成电能的方法。
背景技术
为了运行必须给传感器系统和外围电路（信号处理装置、HF无线电）供应能量。常规地，由电池提供所述能量。当前存在通过能量自给自足的供电来替代电池的多样化的研究和开发方案。为此有必要使用现有的环境能量并且转换成以电的方式可用的形式。
鉴于这样的能量自给自足的系统，研究不同的技术。在此压电能量转换器形式的能量转换器表明是特别有利的。在电压能量转换器的情况下，机械力被输入耦合到压电元件、例如压电弯曲转换器中。由于输入耦合的机械力而发生弯曲元件的弯曲。由于此而出现电荷分离，所述电荷分离可以被利用来获得电能。
发明内容
本发明的任务是展示如何可以在充分利用压电效应的情况下将机械能有效地转换成电能的可能性。
为了解决该任务，说明一种用于使压电弯曲元件弯曲的弯曲装置，具有：带有支承面的工件，该支承面带有至少一个凸状拱形结构；带有相对支承面的相对工件，该相对支承面带有与支承面的凸状拱形结构基本上相反的凹状拱形结构；和用于将工件和相对工件相对彼此移动为使得能够将支承面的凸状拱形结构引入到相对支承面的凹状拱形结构中的装置。在此，能够将弯曲元件布置在支承面和相对支承面之间的中间空间中，使得由于工件和相对工件的相对彼此的移动而发生弯曲元件的弯曲。
为了解决该任务也说明一种用于通过将由机械能所引起的机械力输入耦合到至少一个压电弯曲元件中将机械能转换成电能的压电能量转换器，所述压电能量转换器具有弯曲装置和压电弯曲元件。在此，压电弯曲元件这样布置在支承面和相对支承面之间的中间空间中，使得由于工件和相对工件的相对彼此的移动而发生压电弯曲元件的弯曲并且由于弯曲而能够将机械力输入耦合到压电弯曲元件中。
根据本发明的另一方面，说明一种用于在使用压电能量转换器的情况下通过彼此移动工件和相对工件来将机械能转换成电能的方法。
压电弯曲元件具有由电极层、压电层和其他电极层组成的层序列。多个这样的层序列在此可以相叠地堆叠，使得得出具有相叠地堆叠的、交替布置的电极层和压电层的多层结构。
电极层的电极材料可以由最大不同的金属或金属合金组成。电极材料的例子是铂、钛和铂/钛合金。非金属的导电材料也是可设想的。
压电层同样可以由最大不同的材料组成。为此的例子是压电陶瓷材料，如锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）。如聚偏氟乙烯（PVDF）或聚四氟乙烯（PTFE）的压电有机材料同样是可设想的。
电极层的层厚为几个μm。压电层的层厚为几个μm直至mm。
能量转换器可以具有几个mm直至几个cm的横向尺寸。同样适用于膜的横向尺寸。膜的层的层厚从几个μm达到直至几个mm。
支承面和相对支承面的尺寸也来自该范围。在此优选地，支承面和相对支承面基本上大小相同。这意味着，在支承面的大小方面也可以有直至10%的偏差。但是也可设想的是，支承面之一明显大于其他支承面。
有利的是，拱形结构和相对拱形结构具有基本上数值相同的曲率。从数值来看，曲率具有几乎相同的曲率半径。在此，直至10%的偏差是可设想的。数值上相同的曲率半径导致，可以使凸状拱形结构与凹状相对拱形结构精确配合地来布置。通过相对彼此地移动工件和相对工件，将凸状拱形结构引入到凹状相对拱形结构的凹处中。
弯曲元件可以是具有矩形基面的传统的弯曲转换器（弯曲梁）。尤其是，压电弯曲元件是具有圆形基面的压电弯曲转换器。压电弯曲元件是圆盘弯曲机。圆盘弯曲机原则上适用于尽可能多地从机械能来获得电能。这基于圆盘弯曲机的对转换有益的几何形状。
从弯曲梁的几何参数，也即长度l、宽度b、总厚度hp、r、s和rh以及由弯曲得出的圆柱形壳型（参见图3），得到以下关系：
其中
（1）
由此如下计算最大机械应力：
（4）
在此，Ep是杨氏模数（E模数）并且S是机械张力（strain（张力））。对于可实现的电能和电压得到：
与梁形式的常规弯曲转换器相比，这意味着六倍大的电能和两倍高的电压。
尤其是在圆盘弯曲机的情况下，此外有利的是，凸状拱形结构和/或凹状拱形结构具有圆形根部周长（Fu?umfang），所述圆形根部周长匹配于圆盘弯曲机的尺寸。圆盘弯曲机被布置在两个工件之间。由于工件和相对工件彼此的相对移动而发生圆盘弯曲机的弯曲。发生机械能到电能的有效转换。同时保证了，圆盘弯曲机在机械上不被过载。相对工件也即充当挡块。由于拱形结构、相对拱形结构和圆盘弯曲机的配合精度而保证了，圆盘弯曲机在弯曲是不被毁坏。
弯曲转换器可以在不被固着的情况下布置在工件和相对工件之间的中间空间中。但是优选地，在弯曲过程之前和/或在弯曲过程期间将弯曲转换器固定在工件处和/或相对工件处。尤其是，为此弯曲元件在工件的支承面的连接位置处与工件和/或在相对工件的相对支承面的连接位置处与相对工件通过材料接合（Stoffschluss）连接。材料接合例如具有焊接连接。特别有利的是，材料接合具有粘合剂。弯曲转换器被粘接到工件的拱形结构上。这样的粘接连接可以非常容易地被制造和持久地被制造。除此之外，在制造材料接合时不发生工件和/或弯曲转换器的热负荷。
根据特别的扩展方案，工件具有用于接纳相对工件的接纳空间。在此，工件和相对工件通过支架彼此连接为使得可以执行工件和相对工件的相对彼此的移动。支架充当用于相对彼此地移动工件和相对工件的装置。所述支架例如是滑动支架。
本发明被使用在用于将机械能转换成电能的能量自给自足的系统中。
总之，利用本发明得到以下优点：
-尤其是在使用圆盘弯曲机时，在相同的机械力的情况下与在具有梁形式的常规弯曲转换器的情况下相比可以获得较高的电能。
-恒定的能量提供从机械力的阈值起是可能的。
-与常规的弯曲转换器相比较高的电压是可能的。
-从机械力的阈值起得到恒定的输出电压。
-通过适当的结构上的措施可以保证过载保护。
附图说明
下面根据实施例和所属的图来更详细地描述本发明。所述图是示意性的并且不是按正确比例的图像。
图1以侧剖面示出不具有外部力作用的压电能量转换器。
图2以侧剖面示出具有外部力作用的能量转换器。
图3示意性地示出具有两个压电层的圆盘弯曲机。
具体实施方式
用于使压电弯曲元件2弯曲的弯曲装置1具有带有支承面111的工件11。该支承面具有带有相应曲率的凸状拱形结构1111。该凸状拱形结构具有圆形的根部周长1113。
弯曲装置1除此之外具有带有凹状拱形结构1211的相对工件12。该凹状拱形结构具有从数值上基本上对应于凸状拱形结构曲率的曲率。凹状拱形结构的根部周长1213也是圆形的。工件的支承面和相对工件的相对支承面大小相同。由于拱形结构的相同曲率，可以彼此精确配合地布置支承面和相对支承面。
压电弯曲元件是具有圆形基面的圆盘弯曲机。在对此可替代的实施形式中，压电弯曲元件具有矩形的基面。压电弯曲元件是传统的弯曲梁。
与基面的设计无关地，压电弯曲元件具有层结构，带有两个压电层21和布置在压电层之间的内部电极22。两个外部电极23构成接线端。
在支承面的连接位置122处，压电弯曲转换器经由材料接合14与支承面相连接。材料接合具有粘合剂。压电弯曲元件是相对工件位于工件的接纳空间123中。在此，工件和相对工件经由支架124这样相互连接，即相对工件在接纳空间中可以相对于工件被移动为使得在支承面和相对支承面之间的间距125可以被改变。可以相对彼此移动支承面和相对支承面。
为了将机械能转换成电能如下地进行：通过基于外部机械力3在工件的方向上移动相对工件发生弯曲转换器的弯曲。在此，由于压电效应而发生电荷分离。所分离的电荷可以被利用来获得电能。在此，具有支承面的工件和具有相对支承面的相对工件充当挡块。可能不发生弯曲转换器的过载。
Claims (12)
1. 用于使压电弯曲元件（2）弯曲的弯曲装置（1），具有
-带有支承面（111）的工件（11），所述支承面带有至少一个凸状拱形结构（1111），
-带有相对支承面（121）的相对工件（12），所述相对支承面带有与所述支承面的凸状拱形结构基本上相反的凹状拱形结构（1211），和
-用于将工件和相对工件相对于彼此移动为使得能够将支承面的凸状拱形结构引入到相对支承面的凹状拱形结构中的装置（4，124），
其中
-能够将弯曲元件布置在所述支承面和所述相对支承面之间的中间空间（13）中，使得由于移动而发生弯曲元件的弯曲。
2. 根据权利要求1所述的弯曲装置，其中所述支承面和/或所述相对支承面基本上大小相同。
3. 根据权利要求1或2所述的弯曲装置，其中所述拱形结构和所述相对拱形结构具有基本上数值相同的曲率。
4. 根据权利要求1至3之一所述的弯曲装置，其中所述凸状拱形结构和/或所述凹状拱形结构具有圆形的根部周长。
5. 根据权利要求1至4之一所述的弯曲装置，其中所述弯曲元件在工件的支承面的连接位置（122）处与工件和/或在相对工件的相对支承面的连接位置处与相对工件通过材料接合（14）连接。
6. 根据权利要求5所述的弯曲装置，其中所述材料接合具有粘合剂。
7. 根据权利要求1至6之一所述的弯曲装置，其中所述工件具有用于接纳所述相对工件的接纳空间（123），并且所述工件与所述相对工件通过支架（124）彼此连接为使得能够执行工件和相对工件的相对于彼此的移动。
8. 用于通过将由机械能所引起的机械力输入耦合到至少一个压电弯曲元件中将机械能转换成电能的压电能量转换器，具有
-按照前述权利要求之一的弯曲装置，和
-压电弯曲元件，其中
-所述压电弯曲元件被这样布置在支承面和相对支承面之间的中间空间中，使得由于工件和相对工件的相对彼此的移动而发生压电弯曲元件的弯曲并且由于弯曲而能够将机械力输入耦合到压电弯曲元件中。
9. 根据权利要求8所述的压电能量转换器，其中压电弯曲元件是具有圆形基面的压电弯曲转换器。
10. 根据权利要求8或9所述的压电能量转换器，其中所述弯曲元件在工件的支承面的连接位置（122）处与工件通过材料接合（14）连接。
11. 根据权利要求10所述的压电能量转换器，其中所述材料接合具有粘合剂。
12. 用于在使用根据权利要求8至11之一的压电能量转换器的情况下通过彼此移动工件和相对工件来将机械能转换成电能的方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN104092407A (zh) * | 2014-08-06 | 2014-10-08 | 苏州科技学院 | 等形变悬臂杠杆式压电发电组件 |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120523 |