CN102594201A - 一种振动能量回收装置 - Google Patents

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胡俊辉
陈松茂
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

一种振动能量回收装置，属于振动能量回收技术领域。它由压电发电部件、端部带有撞击块的悬臂梁组成；其中压电发电部件包括分别对称位于所述悬臂梁上下两侧的共两个框架结构和贴于框架结构上的压电片；其中框架结构的一端为固定端与悬臂梁的一端固定在一起，另一端为自由端；其特征在于：上述框架结构具有应力集中部位，所述的压电片贴于该应力集中部位。本发明利用突变结构的应力和应变集中来大幅度提高振动能量回收的效率；结构简单、易于实现。

Description

一种振动能量回收装置
 
所属技术领域
本发明涉及一种振动能量回收装置，属于振动能量回收技术领域。
背景技术
振动几乎无处不在，而振动能是一种可再生的清洁能源。以前振动能很少被应用，今天，随着电子设备功耗的不断降低，将振动能量转化为有用的电能的振动能量收集技术具有较大的应用价值。目前，利用振动进行发电的振动能量收集装置，即振动发电机，主要采用三种机理：电磁感应、压电效应和静电效应。其中，利用压电效应的压电发电机研究最为广泛，而这当中研究最多的又是在固定端施加激振、梁上粘接压电片的悬臂梁式压电发电机，但是这种形式的发电机的发电功率有限，尚不能满足实际应用需求。
发明内容
为了进一步克服传统的悬臂梁式压电发电机的发电功率的不足, 本发明提供了一种采用应力集中效应进行振动能量回收的振动发电机及其结构形式。
一种振动能量回收装置，由压电发电部件、端部带有撞击块的悬臂梁组成；其中压电发电部件包括分别对称位于所述悬臂梁上下两侧的共两个框架结构，贴于框架结构上的压电片组成；其中框架结构的一端为固定端与悬臂梁的一端固定在一起，另一端为自由端；其特征在于：上述框架结构具有应变和应力集中部位，所述的压电片贴于该应变和应力集中部位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：从结构上看，端部带撞击块的悬臂梁部件和框架结构式压电发电部件两部分组装起来以后，就形成了内冲击型振动发电机。将该发电机固定在振源上，当振源振动时，发电机中部的悬臂梁部件相对框架结构运动，其端部的撞击块撞击上下部框架结构而在框架结构中产生振动。在框架结构振动过程中，粘贴在应力集中位置的压电片也随之产生应变，并通过正压电效应在压电陶瓷片的正负极表面产生极性相反的相应的电荷。本发明利用其框架结构的拐角特征或变截面特征在受冲击变形时产生应力和应变集中原理，进一步提高发能量回收的效率；结构简单、易于实现。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的第一种结构的纵剖面构造图及其实施例：拐角特征；
图3是本发明的第二种结构的第一种形式的纵剖面构造图及其实施例：通用式变截面特征；
图4是本发明的第二种结构的第二种形式的纵剖面构造图及其实施例：内凹式变截面特征；
图中1.悬臂梁，2.撞击块，3.垫块，4.等截面框架结构，5.压电片，6. 内凹式变截面框架结构，7. 通用式变截面框架结构，8.导线。
具体实施方式
在图2所示实施例中，悬臂梁1的一端粘贴有撞击块2，另一端与垫块3及等截面框架结构4通过螺钉组合起来安装在振源上。将压电片5安装在等截面框架结构4的拐角处。振源振动时，悬臂梁1相对等截面框架结构4振动。在该振动过程中，撞击块2撞击到等截面框架结构4，引起等截面框架结构4的振动，在其拐角处将产生应力集中，并发生相对框架结构其它位置的最大应变。压电片5随之也产生应变，由于正压电效应，将在其表面产生极性相反的电荷。将其两个表面分别用导线8连接到负载中，可对负载进行供电并可测量其发电功率。发电机本体为不锈钢，所用的单个压电片型号为P-51、尺寸为10mm×5mm×1mm。理论分析结果表明，在1g、11Hz的振动作用下，单个压电片的应变是传统的悬臂梁式压电发电机的单个压电片应变的4倍，发电功率提高近16倍，可达0.3 mW。
在图3所示实施例中，等截面框架结构4换成了内凹式变截面框架结构6。振源振动时，悬臂梁1相对内凹式变截面框架结构6振动。在该振动过程中，撞击块2撞击到内凹式变截面框架结构6，引起内凹式变截面框架结构6的振动，在其内凹处将产生应力集中，并发生相对框架结构其它位置的最大应变。与此同时，压电片5受到拉伸和挤压双重作用，压电片5随之产生应变。由于正压电效应，将在其表面产生极性相反的电荷。将其两个表面分别用导线8连接到负载中，可对负载进行供电并可测量其发电功率。发电机本体为不锈钢，所用的单个压电片型号为P-51、尺寸为10mm×5mm×1mm。理论分析结果表明，在1g、11Hz的振动作用下，单个压电片的应变是传统的悬臂梁式压电发电机的单个压电片应变的5倍，发电功率提高近25倍，可达0.5 mW。
在图4所示实施例中，等截面框架结构4换成了通用式变截面框架结构7。将压电片粘贴在变截面结构的背面。振源振动时，悬臂梁1相对通用式变截面框架结构7振动。在该振动过程中，撞击块2撞击到通用式变截面框架结构7，引起通用式变截面框架结构7的振动，在其变截面处将产生应力集中，并发生相对框架结构其它位置的最大应变，压电片5随之也产生应变。由于正压电效应，将在其表面产生极性相反的电荷。将其两个表面分别用导线8连接到负载中，可对负载进行供电并可测量其发电功率。发电机本体为不锈钢，所用的单个压电片型号为P-51、尺寸为10mm×5mm×1mm。理论分析结果表明，在1g、11Hz的振动作用下，单个压电片的应变是传统的悬臂梁式压电发电机的单个压电片应变的3倍，发电功率提高近9倍，可达0.2 mW。

Claims (3)

1.一种振动能量回收装置，由压电发电部件、端部带有撞击块（2）的悬臂梁（1）组成；其中压电发电部件包括分别对称位于所述悬臂梁（1）上下两侧的共两个框架结构，还包括贴于该框架结构上的压电片（5）；其中框架结构的一端为固定端与悬臂梁（1）的一端固定在一起，另一端为自由端；
其特征在于：上述框架结构具有应变和应力集中部位，所述的压电片（5）贴于该应变和应力集中部位。
2. 根据权利要求1所述的振动能量回收装置，其特征在于：上述框架结构由等截面段和/或变截面段组成；其中等截面段带有起到应变和应力集中作用的拐角，该拐角处还具有便于粘贴压电片的平直导角；其中变截面段的应变和应力集中处位于界面最小处。
3. 根据权利要求2所述的振动能量回收装置，其特征在于：上述框架结构的变截面段具有内凹槽，该内凹槽即为框架结构的变截面处。
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