CN104993738B - 一种压电能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电能量收集器，其包括振动源、压电振子、振动块和外壳，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构，所述外壳固定在所述振动源上并填充有振动介质，所述压电振子和所述振动块位于所述外壳内。该能量收集器可以在原共振频率下保持较高的收集电能的能力，同时显著增大频率响应带宽，从而提高在偏离共振频率时收集电能的能力。

Description

一种压电能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种压电能量收集器。

背景技术

能量收集技术是将周围环境中无法直接使用的能量，通过特定方式转换为可以被利用的能量的一种技术。这种利用方式多以为小型器件提供电能为主。与传统电池供电相比，能量收集技术对于微机电系统的供电则具有以下优势：结构简单，所占体积小；使用寿命长，几乎不含有毒或危险物质；可以长期稳定供电，不需拆卸及更换。因此，能量收集技术的发展对于新能源的开发具有重要意义。

在周围环境中存在的多种形式的能量中，振动能量是最为常见的一种，且存在较高的能量密度。而压电材料对于振动能量的收集又有许多优势，如结构简单，不发热，无电磁干扰，清洁环保等。在悬臂梁结构的压电发电模型中，外界振动施加于压电振子上，使其产生压电效应，从而在压电振子的表面上产生电动势。相比于其他形式的能量收集器，这种结构简单的能量收集器更易于微型化、集成化，因而具有很大的研究价值。

然而，这种能量收集器同样存在一定问题。例如，此类能量收集器只有在特定频率振动下(能量收集器的固有振动频率)才能收集到较高功率的电能，若偏离此频率，器件的收集能量的能力则大幅下降，所以此类能量收集器不能充分利用周围环境中存在的各种频率的振动。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种宽频率响应的高性能压电式振动能量收集器，在增大压电薄膜所受振动阻尼的同时，调整器件各部分的尺寸，使其保持原有共振频率下的输出功率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种压电能量收集器，包括振动源、压电振子、振动块和外壳，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构，所述外壳固定在所述振动源上并填充有振动介质，所述压电振子和所述振动块位于所述外壳内。

进一步地：

所述压电振子为长方形片材，所述压电振子的所述另一端的两面分别固定一个所述振动块，两个振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构。

所述振动块为长度方向与所述压电振子的长度方向一致的长方体形状。

所述外壳为空心长方体结构。

所述振动介质为电绝缘性液体。

所述电绝缘性液体为硅油。

所述硅油的粘度为6cSt。

所述振动块的材质为铂(Pt)。

所述压电振子的材质为聚偏二氟乙烯(PVDF)。

所述振动块粘连在所述压电振子的表面。

本发明的有益效果：

本发明的压电能量收集器采用悬臂梁结构，在压电振子的周围添加密闭容器，并填充相应振动介质，尤其是电绝缘性液体介质，从而增大振子的振动阻尼。这种能量收集器可以在共振频率下维持原有较高的收集电能的能力的前提下，显著增大频率响应带宽，提高该能量收集器在偏离共振频率时收集电能的能力。这使得该器件能够在未使用更高性能的压电材料与未接触更强振动的情况下提高收集振动能量的效率。同时，密闭容器与填充介质保护了压电振子，提高了器件的使用寿命。

本发明降低了偏离共振频率的衰减，提高了器件对于宽频带工作模式的适应性，提高了压电能量收集器的性能。

附图说明

图1a为本发明实施例1及实施例2的正视图(剖视图)；

图1b为本发明实施例1及实施例2的等轴测视图(部分剖视)；

图2a为振动介质为空气时，能量收集器输出功率的频率响应曲线；

图2b为振动介质为空气时，压电振子所受应力的频率响应曲线；

图3a为振动介质为硅油时，能量收集器输出功率的频率响应曲线；

图3b为振动介质为硅油时，压电振子所受应力的频率响应曲线；

图4a为实施例1与实施例2，能量收集器输出功率的频率响应曲线的比较；

图4b为实施例1与实施例2，压电振子所受应力的频率响应曲线的比较；

图中标号：

1-振动源；2-压电振子；3-振动块；4-振动介质；5-外壳。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1a和图1b，在一种实施例中，一种压电能量收集器，包括振动源1、压电振子2、振动块3和外壳5，压电振子2的一端固定在振动源1上，振动块3固定在压电振子2上的另一端，振动块3与压电振子2一同构成悬臂梁结构，外壳5固定在振动源1上并填充有振动介质4，压电振子2和振动块3位于外壳5内。外壳5优选为空心的长方体结构。在优选的实施例中，振动介质4为电绝缘性液体。

在优选的实施例中，压电振子2为长方形片材，压电振子2的另一端的上、下表面分别固定一个振动块3，两个振动块3与压电振子2一同构成悬臂梁结构。更优选地，振动块3为长度方向与压电振子2的长度方向一致的长方体形状。较佳地，两个振动块3分别粘连在压电振子2的上、下表面。

实施例1：

参阅图1a和图1b，实施例1中，压电振子2一端与外壳5固定在振动源1处，振动块3粘于压电振子2另一端，以提高压电振子的振动能力。本实施例中，长方形的压电振子的尺寸为8mm×20mm×0.05mm(宽×长×厚，一片)，材质为聚偏二氟乙烯(PVDF)，振动块的尺寸为2mm×20mm×2.7mm(宽×长×高，一块)，材质为钢。压电振子一端夹在固定端并延伸出来而形成悬臂梁，并在外壳内部不添加液体，即外壳内部以空气为介质。选取振动加速度为5m/s2。利用COMSOL仿真，观察压电振子表面上某一点的电势和所受应力，并根据公式计算出相应的输出功率，从而分别绘制输出功率与应力的频率响应曲线，如图2a和2b所示。

实施例2：

参阅图1a和图1b，实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中，长方形的压电振子2的尺寸为5.5mm×48mm×0.05mm(宽×长×厚，一片)，而振动块3的材质选用铂(Pt)，振动块(一块)的尺寸为2mm×48mm×3.1mm，并且在外壳内充满绝缘性液体作为振动介质，液体类型优选采用硅油(粘度为6cSt)。其余结构与连接方式与实施例1相同。利用COMSOL仿真，观察压电振子表面上某一点的电势和所受应力，并根据公式计算出相应的输出功率，从而分别绘制输出功率与应力的频率响应曲线，如图3a和3b所示。

另外，将实施例1与实施例2的实验结果进行比较，可以看出，本发明所受外界振动加速度不变，压电振子所受最大应力不变(如图4b所示)时，其共振频率及该频率对应的输出功率(最大输出功率)大致相等，且输出功率较高。而实施例2中频率响应曲线的半高宽(约6Hz)较实施例1中(约3Hz)又增大了近一倍(如图4a所示)，从而使器件的工作频率范围进一步变宽。

上述实验结果证明了本发明实施例的宽频率响应能量收集器提高收集效率的有效性。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种压电能量收集器，其特征在于，包括振动源、压电振子、振动块和外壳，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构，所述外壳固定在所述振动源上并且所述外壳形成一密闭容器，其内部填充有振动介质以增大压电能量收集器的频率响应带宽，所述压电振子和所述振动块位于所述外壳内,所述振动介质为电绝缘性液体；

所述压电振子为长方形片材，所述压电振子的所述另一端的两面分别固定一个所述振动块，两个振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构，所述振动块为长度方向与所述压电振子的长度方向一致的长方体形状；长方形的所述压电振子的尺寸为5.5mm×48mm×0.05mm，所述振动块的材质选用铂，所述振动块的尺寸为2mm×48mm×3.1mm，所述外壳为空心长方体结构，所述电绝缘性液体为硅油，所述压电振子的材质为聚偏二氟乙烯。

2.根据权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，所述硅油的粘度为6cSt。

3.根据权利要求1至2任一项所述的压电能量收集器，其特征在于，所述振动块粘连在所述压电振子的表面。