CN104184367A - 柱状多方向叠堆式压电能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，属于能源技术领域。包括基座、弹性悬臂梁、若干个弹性体和若干个压电层；弹性悬臂梁的一端与基座固连，弹性体和压电层相互交替堆叠固定在弹性悬臂梁上且堆叠的最顶层与最底层均为弹性体，弹性体与压电层之间紧密结合。本发明中的弹性体可以在采集装置工作过程中对压电层进行有效的保护，压电层在工作在受压状态下的寿命较传统条状压电片及压电薄膜受弯曲应力的寿命更长，提高了采集装置的使用寿命。将压电层中的环状压电片设置成若干块面积均等且相互绝缘的扇形，增加压电片的有效工作数量，提高了装置的能量采集效率。

Description

柱状多方向叠堆式压电能量采集装置

技术领域

本发明涉及一种压电能量采集装置，具体讲是一种柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，属于能源技术领域。

背景技术

面对世界范围内的能源短缺，人们越来越希望能将日常所忽视的浪费的能量加以回收和利用，以提高能源利用效率，实现人类社会的持续健康发展。振动能量是一种非常广泛而又常常被忽视的能量种类，其潜在的能量价值不可忽视。压电材料是一种可以将机械能转化为电能的智能材料，是可实现振动能量回收的有效材料。传统压电振动能量收集装置收集的振动能量主要是单方向的，这种能量采集结构当振动方向选择性强的时候可以有效获取能量，而在多方向随机振动的情况下，其所能回收的能量是极其有限的。

现有的多方向压电能量采集器主要是采用条状悬臂梁单晶片或悬臂梁双晶片式压电振子以及采用压电薄膜裹覆于梁表面的方式，采用上述几种方式时由于压电材料随梁的振动幅度而变形，因而变形量较大，压电材料损耗较大，寿命短，从而影响了整个能量采集器的使用寿命。

2013年5月15日，中国发明专利申请CN103107740A公开了一种柱状多方向压电发电装置，其包括多个悬臂梁压电振子的一端均固定于圆柱底座上，所述悬臂梁压电振子以圆柱底座的圆心为中心成环行阵列分布，同时多个悬臂梁压电振子沿圆柱底座轴向依次上下交错分布，所述各个悬臂梁压电振子大小均不同。该发明通过各压电振子沿柱状固定座轴向和径向均匀分布，能够高效收集各个方向传输的环境振动能量。但其悬臂梁压电振子在能量采集过程中振动幅度较大，长期工作过程容易引起变形，从而引起了压电材料大幅损耗，降低了发电效率，缩短了悬臂梁压电振子的使用寿命，从而影响了整个压电发电装置的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能有效保护压电材料，减少压电材料大幅度变形，进而延长采集装置的使用寿命的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，包括基座、弹性悬臂梁、若干个弹性体和若干个压电层；所述弹性悬臂梁的一端与基座固连，所述弹性体和压电层相互交替堆叠固定在弹性悬臂梁上且堆叠的最顶层与最底层均为弹性体，所述弹性体与压电层之间紧密结合。

本发明中，所述弹性悬臂梁为圆柱状、弹性体与压电层均为环状结构，所述弹性体与压电层的内径与圆柱体弹性悬臂梁直径相等，弹性体与压电层套装固定在弹性悬臂梁上。

本发明中，所述环状压电层由两片环状压电片和环状基片组成，两片压电片分别贴布于环形基片的上下两面上。 

本发明中，所述环状压电片由若干块面积均等且相互绝缘的扇形压电片组成。

本发明中，所述弹性体与压电层的厚度为相同或不同。

本发明中，所述弹性体与压电层叠堆的长度及位于弹性悬臂梁上的位置均可调节。

本发明中，所述弹性悬臂梁的另一端连接辅助采集部件。

本发明中，所述辅助采集部件为质量块或挡风板。

本发明的有益效果在于：（1）、本发明中弹性体和压电层采用相互交替堆叠的结构固定在弹性悬臂梁上，且弹性体与压电层之间紧密结合无间隙，弹性体可以在采集装置工作过程中对压电层进行有效的保护，压电层在工作在受压状态下的寿命较传统条状压电片及压电薄膜受弯曲应力的寿命更长，提高了采集装置的使用寿命；（2）、本发明弹性悬臂梁为圆柱状、弹性体与压电层均为环状结构，可以在横截面上任意角度的径向位置处进行振动，极大地扩展了弹性悬臂梁对振动方向的适应性，可以适应多方向的能量采集；（3）、将环状压电片设置成若干块面积均等且相互绝缘的扇形，增加压电片的有效工作数量，提高了装置的能量采集效率；（4）、本发明中弹性体与压电层叠堆的长度及位于弹性悬臂梁上的位置均可调节根据实际板需要调整，以适应装置在不同的工作环境中使用；（5）、在弹性悬臂梁自由端设置连接辅助采集部件，以适应装置整体在不同环境能量采集中的应用。

附图说明

图1为本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置的结构示意图；

图2为本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置发生振动弯曲后的结构示意图；

图3为环状压电层组合结构示意图；

图4为本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置附加挡风板示意图；

图5为实本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置附加质量块示意图；

图中，1-基座，2-弹性悬臂梁，3-环状弹性体，4-环状压电层，5-扇形压电片，6-环状基片,7-挡风板，8-质量块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置包括基座1、弹性悬臂梁2、环状弹性体3和环状压电层4。其中，弹性悬臂梁2为圆柱形，弹性悬臂梁2的一端固定于基座1上，弹性悬臂梁2上套装堆叠有N个环状弹性体3与N-1个环状压电层4，环状弹性体3采用绝缘材料制成，环状弹性体3和环状压电层4的厚度为相同或不同；环状弹性体3和环状压电层4的内径与弹性悬臂梁2直径相等,环状弹性体3和环状压电层4两者之间交替堆叠，其中堆叠的最顶层与最底层均为环状弹性体3，即其弹性悬臂梁2的首末两端均为环状弹性体3，堆叠最底层环状弹性体3的一面粘连于基座1上，每层环状压电层4与环状弹性体3之间相互粘连结合；环状压电片4与环状弹性体3的数量及叠堆位于弹性悬臂梁2的安放位置可以根据具体应用要求进行不同调节。每一个环状压电层上均布置有能量收集电极，收集电极与后端的整流电路相连。在正常无振动状态下，环状弹性体3与环状压电层4不产生相互挤压作用或仅由于重力作用产生微小预挤压变形。

如图3所示，环状压电层4由两块环形压电片和一块环状基片6组成，环形压电片贴布于环形基片6的上下两面上；每块环形压电片分为多块面积均等的扇形压电片5，扇形压电片5，扇形压电片5均匀贴布于环形基片6表面上，彼此间扇形压电片5上收集电极之间保持电气绝缘，将环形压电片设置成若干块面积均等且相互绝缘的扇形，可增加压电片的有效工作数量，极大地提高了装置的能量采集效率。

如图2所示，当本发明柱状多方向叠堆式压电能量采集装置发生振动时，弹性悬臂梁2发生受迫弯曲振动，弹性悬臂梁2受压一侧的环形弹性体3与环形压电层4堆叠亦会受压而变形，对应的扇形压电片5受压后，由于正压电效应将会产生电压。弹性悬臂梁2另一侧，由于堆叠的环形弹性体3与环形压电层4之间相互粘连，因而环形压电片4和环形弹性体3堆叠亦会受拉，对应的扇形压电片6受拉产生相反方向的电荷，将这些扇形压电片6输出电压通过整流电路后连接到储能元件，即实现能量收集。

工作时，在对称位置上的2个片扇形压电片6可能恰好位于受压和受拉变形的过度区，致使该扇形压电片6本身一部分受压另一部分受拉，产生的正负电荷会相互抵消，将削弱该扇形压电片6的能量采集效果或使其在这种工况下完全丧失能量采集能力。但通过将环状压电片划分为更多等分的扇形压电片6，可增加扇形压电片6的有效工作数量，从而提高整个环状压电层的能量收集效率。

如图4所示，在弹性悬臂梁2的自由端附加十字交叉挡风板7，以增大结构整体在使用过程中的形变量，十字交叉挡板7可以阻挡水平面内任意方向的风，而风会反作用于挡板一定的力使得采集装置发生大幅度弯曲振动，从而提高了风能的回收效率。

如图5所示，在弹性悬臂梁2的自由端附加质量块8，水平面内任意方向的振动波在促动采集装置运动的同量，附加质量块8会加速采集装置发生弯曲振动的频率和幅度，从而提高振动能量的回收效率。

本发明中采用圆柱型结构，可实现圆柱径向平面内任意方向的振动能量采集；在弹性悬臂梁2上布置有多层环状压电层4，可大大地提高能量收集效率；环状弹性体3和环状压电层4采用相互交替堆叠的结构固定在弹性悬臂2梁上，两者之间紧密结合，工作过程中环状弹性体3可以对环状压电层4进行有效的保护，延长了环状压电层4的使用寿命，从而提高了采集装置的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：包括基座(1)、弹性悬臂梁(2)、若干个弹性体(3)和若干个压电层(4)；所述弹性悬臂梁(2)的一端与基座(1)固连，所述弹性体(3)和压电层(4)相互交替堆叠固定在弹性悬臂梁(2)上且堆叠的最顶层与最底层均为弹性体(3)，所述弹性体(3)与压电层(4)之间紧密结合。

2.根据权利要求1所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述弹性悬臂梁(2)为圆柱状、弹性体(3)与压电层(4)均为环状结构，所述弹性体(3)与压电层(4)的内径与圆柱体弹性悬臂梁(2)直径相等，弹性体(3)与压电层(4)套装固定在弹性悬臂梁上。

3.根据权利要求2所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述环状压电层(4)由两片环状压电片和环状基片(6)组成，两片压电片分别贴布于环形基片(6)的上下两面上。

4. 根据权利要求3所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述环状压电片由若干块面积均等且相互绝缘的扇形压电片(5)组成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述弹性体(3)与压电层(4)的厚度为相同或不同。

6.根据权利要求5所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述弹性体(3)与压电层(4)叠堆的长度及位于弹性悬臂梁(2)上的位置均可调节。

7.根据权利要求6所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述弹性悬臂梁(2)的另一端连接辅助采集部件。

8.根据权利要求7所述的柱状多方向叠堆式压电能量采集装置，其特征在于：所述辅助采集部件为质量块(8)或挡风板(7)。