CN102739107B - 碰撞式压电微能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碰撞式压电微能量收集装置。所述装置包括固定座、导杆、滑块、压电片、碰撞块；所述固定座，由方管、防护罩和端盖组成；所述导杆，固设于所述固定座上；所述滑块，滑动地安装于所述导杆上；所述压电片，呈悬臂梁式设置在固定座上；所述碰撞块，固设于所述压电片的自由端，用于与滑动的滑块发生碰撞以使所述压电片振动并发电。本发明提供的技术方案，能够提高装置性能，延长使用寿命，提高能量收集效率，并基于人体运动的特点，将人体步行产生的机械能转换为电能并为便携式传感器供电。

Description

碰撞式压电微能量收集器

技术领域

本发明涉及机电技术领域，具体涉及一种碰撞式压电微能量收集器。

背景技术

目前，采用能量收集装置从周围获取能量(如太阳能、热能、电磁能以及机械能等)，并将其转换为有用的电能从而取代电池的供电方式，已经作为一种新的供电方式越来越引起人们的重视。上述能量中，机械能中的机械振动能来源广泛，如风力、旋转机械、液体流动及人的运动等。与电池供电相比，这种自供电方式可以减少污染和降低因更换电池导致的维护成本以及因耗尽电能带来的工作故障。

现有技术中，将机械振动能转换为电能所采用的方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式，其中，基于压电振动的微能量收集方式由于结构简单、体积小而得到广泛地应用。压电材料之所以能将机械振动转换为电能，是因为在外力的作用下压电材料产生变形，它的表面会出现异号极化电荷从而产生电场，它具有较高的能量密度，无需单独的电源，将这种利用压电效应而产生能量的装置称为压电微能量收集器(piezoelectric micro power generator，PMPG)。

现有技术中，研究人员利用压电材料的特性，针对不同的应用背景，采用不同的机构和工作原理，开发了形式各异的压电微能量收集器，以满足不同需要。典型压电能量收集装置一般都采用三层机构的矩形悬臂梁，上下两层为压电材料，中间的金属层用于提高结构刚性。这种设计的微悬臂梁通常工作在高频状态(100Hz～300Hz)，面外部工作环境中的振动形式通常具有频率偏低、频率成分多的特点，振动结构的固有频率难以与环境的输入频率匹配，使得微悬臂梁工作在非谐振状态而导致能量收集效果急剧下降。

现有的碰撞式压电微能量收集方法大多是处于理论研究，采用不同的碰撞体和压电材料在激振器上进行实验研究，包括圆球碰撞压电薄膜、低频长悬臂梁碰撞高频短压电梁、皮带抖动驱动压电梁以及反复拨动压电梁的方法。碰撞力的大小、碰撞位置和碰撞接触面直接影响压电悬臂梁的工作稳定性、输出功率和使用寿命。发明人研究发现，现有的碰撞式压电微能量收集往往存在以下问题：

(1)碰撞接触面没有合理的设计，也没有一定的保护措施，当外部刚体直接碰撞压电材料时会导致压电材料破裂从而影响其使用寿命；

(2)碰撞力的大小不能得到有效控制，长期工作会导致压电材料出现裂纹甚至失效，另外碰撞作用位置不能更改或合理的设置，不能有效降低固定端的冲量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便携式碰撞压电微能量收集器，能够提高装置性能，延长使用寿命，提高能量收集效率，并基于人体运动的特点，将人体步行产生的机械能转换为电能并为便携式传感器供电。

本发明提供一种碰撞式压电微能量收集装置：

所述装置包括固定座、导杆、滑块、压电片、碰撞块；

所述固定座，由方管、防护罩和端盖组成；

所述导杆，固设于所述固定座上；

所述滑块，滑动地安装于所述导杆上；

所述压电片，呈悬臂梁式设置在固定座上；

所述碰撞块，固设于所述压电片的自由端，用于与滑动的滑块发生碰撞以使所述压电片振动并发电。

其中，所述滑块与所述压电片平行安装。

其中，所述碰撞块与所述滑块的碰撞接触面为两个圆弧曲面，其中碰撞块为非对称圆弧设计。

其中，所述滑块为圆柱滑块，滑块上设有多个圆弧突起，所述突起设计成圆弧面。

其中，所述装置安装在脚蹀位置时，所述滑块往复移动与碰撞块碰撞使压电片持续振动而输出功率。

其中，所述防护罩固设于方管的对应于压电片一侧用于保护压电片。

其中，所述导杆的一端为阻止端，用于防止端盖脱落；

所述导杆的另一端设有螺纹，用于安装螺母；

所述导杆的设螺纹的一端依次穿过一端盖的通孔、圆柱滑块及另一端盖的通孔后，在设螺纹的一端安装螺母，将端盖、导杆及方管紧固为一体。

其中，所述方管、端盖、导杆及碰撞块为铝材料。

其中，所述滑中设有供导杆穿过的穿孔，且采用钢材料制成。

其中，所述碰撞块固设于压电片的自由端，对应于导杆的中间位置。

可以发现，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明技术方案，碰撞的方法采用频率向上转换策略，利用外部低频振动驱动固有高频的压电悬臂梁，可以使压电振动能量收集不受外部输入的限制，能有效地提高能量收集效率。

(2)本发明技术方案，平行碰撞的方法使得结构紧凑并能节约空间，从而提高能量收集密度；

(3)本发明技术方案，多个突起使得压电梁在一个周期内承受多次碰撞，并保持连续地变形，从而增大输出功率；

(4)本发明技术方案，通过调节碰撞体和碰撞块之间的间隙，可以合理的设置碰撞作用位置，保证压电梁的工作性能，延长使用寿命；

(5)本发明技术方案，便携式的设计可以转换人体运动的机械能并给附加在人体的微电子设备或嵌入式的无线传感器供电。

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，下面将对实施例或现有技术描述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它的附图。

图1是本发明碰撞压电微能量收集器的装配示意图；

图2是本发明碰撞压电微能量收集器的结构分解示意图；

图3是本发明碰撞压电微能量收集器的运动部分装配主视图；

图4是本发明碰撞压电微能量收集器的运动原理图；

图5是本发明碰撞压电微能量收集器的去程运动示意图；

图6是本发明碰撞压电微能量收集器的回程运动示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种便携式碰撞压电微能量收集器，具有结构紧凑、能量密度大、性能稳定等的特点，该装置能够基于人体运动的特点，将人体步行产生的机械能转换为电能并为便携式传感器供电。

该碰撞式压电微能量收集器，主要包括固定座和固设于固定座上的导杆；滑动地安装于导杆上的多突起碰撞体；呈悬臂梁式设置在固定座上的压电片；固设于压电片的自由端的且用于与滑动的碰撞体发生碰撞以使压电片振动并发电的碰撞块。上述结构，通过在压电片固定端增加塞尺可以调节碰撞体与压电片自由端碰撞块之间的间隙，从而调整碰撞力大小和碰撞作用位置。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。其中图中各附图标记的含义如下：1-防护罩，2-端盖，3-圆柱滑块，4-方管，5-导杆，6-碰撞块，7-压电片，8-固定座。

图1是本发明碰撞压电微能量收集器的装配示意图；图2是本发明碰撞压电微能量收集器的结构分解示意图。

如图1和图2所示，压电能量收集装置主要包括固定座8、固设于固定座8上的导杆5、滑动地安装于导杆5上的圆柱滑块3、呈悬臂梁式设置于固定座8上的压电片7及固设于压电片7上的碰撞块6。

其中，所述固定座8包括方管4、固设于方管4两端的端盖3、固定于方管4的外表面防护罩1。其中，方管4可以为横截面为四方形的长管，内部为通孔。两个端盖2设于方管4的两端，端盖1的中间也设有通孔，两通孔由导杆5依次穿过并通过在导杆5的设螺纹的一端安装螺母以进行紧固。防护罩1固设于方管4的对应于压电片7一侧，用于保护压电片7，防止外力破坏，还可以防止压电片7振动时变形过大而破裂。

导杆5的一端为阻止端，用于防止端盖2脱落，另一端设有螺纹，用于安装螺母。组装时，导杆5的设螺纹的一端依次穿过一端盖2的通孔、圆柱滑块3及另一端盖2的通孔后在设螺纹的一端安装螺母，从而将端盖2、导杆5及方管4紧固为一体。其中，由于整个压电能量收集装置是便携式的，因此为减轻重量，方管4、端盖2、导杆5及碰撞块6均采用铝材料。

圆柱滑块3中设有供导杆5穿过的穿孔，且采用钢材料制成，以增加质量进而增大动量，在与碰撞块6发生碰撞时可以增大冲量使得压电片7易发生弯曲变形。

压电片7呈悬臂梁式设置于固定座8上，一端通过螺钉固定在方管上，另一端作为自由端粘贴有碰撞块6。压电片7与导杆5平行设置。

如图3所示，是本发明的碰撞式压电微能量收集器的运动部分装配主视图。

碰撞块6固设于压电片7的自由端，对应于导杆5的中间位置，也即在静止状态下，碰撞块6悬置于导杆5的中间位置的上方。

如图4所示，是本发明碰撞压电微能量收集器的运动原理图。

碰撞块6用于与圆柱滑块3上的突起发生碰撞以使压电片7振动并发电。碰撞块6的末端设计成非对称圆弧面(半径分别为Rs和Rl)，圆柱滑块3上的突起也设计成圆弧面(半径为Rr)，圆弧型的接触面使得圆柱滑块3在碰撞后能轻易通过，减少刚性碰撞。另外，圆柱滑块3上的多个突起可以保证在移动的过程中产生多次碰撞，从而提高输出功率。

δ表示圆柱滑块3上的突起与之间的重叠部分，是影响能量输出的一个重要因素。如果δ≤0，则滑块3在移动的过程中不与碰撞块6发生接触，压电梁不会发生变形从而没有功率输出。若δ＞0但过小，在碰撞的过程中压电双晶梁的变形也很小，没有有效地利用压电梁的发电效果。若δ过大，会导致圆柱滑块3无法顶起压电梁而继续移动，或者说卡住，同样也没有输出电压。

根据所使用的压电片7的特性，在设计与安装时通过在压电片7的固定端增加塞尺来合理的设置δ的大小，既可以更有效的利用压电片，又要避免在工作过程中卡住甚至撞坏压电片。

图5是本发明碰撞压电微能量收集器的去程运动示意图。如图5所示为圆柱滑块3沿导杆5从压电片7对应的固定端向碰撞块6方向滑动过程中的受力分析情况，以下简称去程。

在去程中，碰撞的作用力F沿相接触的两圆弧切点处的法线方向，该力可以分解为沿x方向和y方向的分力Fx和Fy，且方向垂直，两个分力对于压电片7固定端的弯矩方向一致，从而有利于顶起压电片7。所述圆柱滑块3上的突起与碰撞块6的接触面为圆弧面，此种设计可以保证圆柱滑块3在顶起压电片7后很轻易地向前继续移动，此时压电基片7在自身的谐振频率下做衰减振动。

图6是本发明碰撞压电微能量收集器的回程运动示意图。如图6所示为圆柱滑块3沿导杆5从压电片7对应的自由端向固定端方向滑动过程中的受力分析情况，以下简称回程。

回程碰撞时的作用力F′沿相接触的两圆弧切点处的法线方向，该力可以分解为沿x方向和y方向的分力Fx′和Fy′，且方向垂直，Fy′使得压电片7向上弯曲，而Fx′产生的弯矩使得压电片7向下弯曲，Fx′使压电片7拱起不利于压电基片40向上弯曲变形而产生振动。

请一并参考图5和图6，Rs小于Rl的非对称设计使得F′与水平方向的夹角α要大于F与水半方向的夹角θ，这样可以增大沿竖直方向的分力Fy′，减小沿水平方向的分力Fx′，从而使得压电片7更易向上弯曲变形。

作为一种实施方式，本发明方案提供的压电微能量收集装置可以绑定于用户的脚踝位置，从而当人走动时，圆柱滑块3就会往复移动与碰撞块6碰撞使压电片7持续振动而输出功率，通过储能电路就可以收集所产生的电能，并给人体健康检测传感器或便携式微电子装置供电。

可以发现，本发明独特的平行碰撞可以有效的限制碰撞力过大而导致压电材料破裂，圆弧接触面可以保证碰撞后圆柱滑块较易通过而继续移动，多个突起可以使得一个周期内发生多次碰撞，从而增大输出功率。碰撞块的非对称圆弧设计，可以提高回程碰撞的作用效果。便携式的结构设计可以安装在人的脚踝位置，将人体运动的动能转换为电能可以给人体健康检测传感器或便携式微电子装置供电。

本发明提供的压电微能量收集装置，在保证性能稳定的前提下，可以增大输出功率，提高能量收集效率，具有结构紧凑、能量密度大的特点。压电微能量收集装置还可以绑定在人的脚踝位置，将人运动的动能转换为电能可以给人体健康检测传感器或便携式微电子装置供电。

以上对本发明实施例所提供的压电微能量收集装置，进行了详细介绍，本文中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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述装置包括固定座、导杆、滑块、压电片、碰撞块；

所述固定座，由方管、防护罩和端盖组成；

所述导杆，固设于所述固定座上；

所述滑块，滑动地安装于所述导杆上；

所述压电片，呈悬臂梁式设置在固定座上；

所述碰撞块，固设于所述压电片的自由端，用于与滑动的滑块发生碰撞以使所述压电片振动并发电；

其中，所述滑块为圆柱滑块，滑块上设有多个圆弧突起，所述突起设计成圆弧面。

2.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述滑块与所述压电片平行安装。

3.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述碰撞块与所述滑块的碰撞接触面为两个圆弧曲面，其中碰撞块为非对称圆弧设计。

4.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述装置安装在脚踝位置时，所述滑块往复移动与碰撞块碰撞使压电片持续振动而输出功率。

5.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述防护罩固设于方管的对应于压电片一侧用于保护压电片。

6.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述导杆的一端为阻止端，用于防止端盖脱落；

所述导杆的另一端设有螺纹，用于安装螺母；

所述导杆的设螺纹的一端依次穿过一端盖的通孔、圆柱滑块及另一端盖的通孔后，在设螺纹的一端安装螺母，将端盖、导杆及方管紧固为一体。

7.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述方管、端盖、导杆及碰撞块为铝材料。

8.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：

所述滑块中设有供导杆穿过的穿孔，且采用钢材料制成。

9.根据权利要求1所述的碰撞式压电微能量收集装置，其特征在于：所述碰撞块固设于压电片的自由端，对应于导杆的中间位置。