CN105305881A - 基于压电效应的弧形振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
基于压电效应的弧形振动能量采集器，它由一个弧形基体梁，两个弧形压电片和一个质量块组成。弧形基体梁一端固定在振动基体上，另一端悬空附着有质量块。弧形压电片附着于弧形基体梁的表面。本发明有高能量转化效率和低共振频率的优点。它可以被用在植入式医疗设备，可穿戴设备和无线传感器中。本发明的优势在于显著提高能量采集器的效率和有效降低能量采集器的共振频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量采集装置，可用来收集环境中的振动能量。属于节能技术及再生环保新能源领域。
背景技术
能量采集是一项新兴技术。通过这一技术，周围环境中的振动能量例如车辆、建筑的振动或者人体的运动，可以被收集起来，转化为电能，供低功耗的电子设备使用。众所周知，为大部分电子设备提供能量的电池有寿命短、能量密度低等诸多弊端。而且电池很难被小型化，对环境也有危害。能量采集技术有望去除电池的诸多弊端，实现电子设备的长久自主运行。能量采集器可以被用作电源为多种设备供电，例如心脏起搏器，智能穿戴设备，汽车传感器和其他低功耗无线传感器。
有很多种能量源可以被能量采集技术所利用，包括热能、太阳能、风能和振动能量。在它们之中，振动能是最丰富和普遍存在的。当前主要有三种方式来收集振动能量：电磁式、静电式和压电式。和其它两种方式相比，压电式有易于小型化、无需外电源、结构简单、能量密度高的优势。
大部分现有压电能量采集器是基于悬臂梁结构的。这种结构是由一个横梁和附着在其表面的压电片组成的。横梁一端固定，另一端连接一个质量块用来吸收更多的振动能量同时调节共振频率。工作时，振动基体引起悬臂梁周期性的振动，进而产生弯曲应力于压电片上。通过压电效应，应力能被转化为电能(参考：e.g.S.AntonandH.Sodano,“TopicalReview:Areviewofpowerharvestingusingpiezoelectricmaterials(2003-2006).”SmartMaterialsandStructure16R1-R21,2007；andS.Roundy,andPaulK.Wright."Apiezoelectricvibrationbasedgeneratorforwirelesselectronics."SmartMaterialsandstructures13.5,1131,2004)。这种简单的悬臂梁结构尽管被广泛采用但其能量密度还是达不到现有电子设备的需求。最近，为了提高能量采集器的性能，研究人员提出了多种其他的能量采集器，包括两端固定梁，垂直放置梁，弯曲梁，S或L形梁，不均一梁，等等(参考：S.Roundy,etal."Improvingpoweroutputforvibration-basedenergyscavengers."PervasiveComputing,IEEE4.1(2005):28-36；andS.IbrahimandW.Ali"Areviewonfrequencytuningmethodsforpiezoelectricenergyharvestingsystems."Journalofrenewableandsustainableenergy4.6(2012):062703，US.Pat.No.8,110,964B2,Wei-HengShihetc.；US.Pat.No.2007/0284969A1,ZhengYi-DanielXu,etc.；US.Pat.No.2013/0062999A1,A.S.M.Muker-Uz-Zaman,etc.；US.Pat.No.7,948,153B1,RickA.Kellogg,etc；US.Pat.No.2008/0074002A1,ShashankPriya,etc.)。除了这些梁机构，其他一些更为复杂的机构也被提出了。专利(US20100084947A1，Seok-JinYoon等)提出了一个螺旋板结构来提高能量采集器的效率。专利(US20050057123A1，KenDeng)提出了一个种铙钹机构，其中一个压电陶瓷盘被一对金属铙钹夹在中间。振动通过铙钹传递到压电陶瓷盘上，进而产生电能。类似的铙钹结构在其他专利也中有所描述(US.Pat.No.2010/0096949A1,Tian-BingXu,etc.；US.Pat.No.9,048,759B2,Tian-BingXu,etc.)。分析现有多种形式的能量采集器，可以发现其核心部分都是一片扁平的压电板。
本发明提出一种半弧形压电结构来替代常用的扁平的压电板来提高能量采集器的性能。这种半弧形压电能量采集器不同于现有的能量采集器。例如，在U.S.Pat.No.12/748,500，NagashimaSusumu中，一个弹性梁被压弯，然后其两端固定于一个基体板上。此弯曲的弹性梁表面固定一块扁平的压电陶瓷板。一个支撑块被置于弯曲的弹性梁和平板基体之间，来支持这个弯曲弹性梁。外界力或者振动施加于此结构，引起弯曲的弹性梁和附着其上的压电陶瓷板变形，进而产生电能。尽管这个发明采用了弯曲弧形结构但其核心压电部分依然是一个扁平的压电陶瓷板。因此和本发明不相同。再例如，在U.S.Pat.No.7,839,058.232010中ChurchillDavidL.提出一个基于压电陶瓷纤维复合梁的能量采集器。和普通的压电陶瓷梁相比，这种压电陶瓷纤维复合梁的柔性更好。这个压电纤维复合梁一端固定，另一端加一个预载荷使其弯曲，然后固定下来。由于此压电梁没有附着在任何基体上，只是两端固定，因此在外界激励下，此压电复合梁就会在上下两个平衡态上来回跳动，进而产生电能。这个专利是利用屈曲梁的双稳态非线性来拓展能量采集器的工作频宽。并没有利用大弧度弯曲压电陶瓷梁/板对效率提高的机理。因此于本发明不同。
发明内容
本专利提出了一种能够有效提高能量采集器效率的办法。专注于能量采集器的核心部分，提出一个半弧形压电组结构。本发明采用三维的半弧形机构来代替普遍使用的二维扁平的压电平板作为能量采集器的核心。
本发明包括一个弧形基体梁，两个半弧形压电元件和一个质量块。弧形基体梁一端固定在振动基体上，另一端悬空附着有质量块。两个半弧形压电元件被固定在弧形基体梁的表面。弧形压电元件的极化方向是圆弧的径向。电极层在弧形压电元件的两个表面上。弧形基体梁有两个塑造成型的半圆形单元沿着基体梁长度方向串行连接在一起，用来安装半弧形压电元件。
本发明的优势在于显著提高能量采集器的效率和有效降低能量采集器的共振频率。
附图说明
图1是本发明原理框图。
图2展示了弧形压电元件的极化方向。
图3展示了本发明的两种实现方式：(A)有一个弧形压电元件的工作图；(B)有三个弧形压电元件的工作图。
图4展示了本发明的一种实现方式：弧形基体梁的内外两面都附有弧形压电元件，形成一种双压电片形式。
图5是本发明的一种实现方式：弧形基体梁的两端都被固定下来。
图6展示了基于本发明制作的原型机的实验数据。
图中：11、第一弧形基体梁，12、弧形压电元件A，13、弧形压电元件B，14、第一质量块，21、第二弧形基体梁，22、弧形压电元件C，23、第二质量块，31、第三弧形基体梁，32、弧形压电片D，33、弧形压电片E，34、弧形压电片F，35、第三质量块，41、第四弧形基体梁，42、弧形压电片G，43、弧形压电片H，44、弧形压电片I，45弧形压电片J，51、第五弧形基体梁，52、弧形压电片K，53、弧形压电片L，54、弧形压电片M，55、弧形压电片N，56、第五质量块。
具体实施方式
本发明是一个基于压电效应的半弧形振动能量采集装置。
图1是本发明的原理图。该装置由一个第一弧形基体梁11和附着在其表面的弧形压电元件A12、弧形压电元件B13、第一质量块14组成；第一弧形基体梁11为上下对称的弧形结构；弧形压电元件A12、弧形压电元件B13分别串行连接并沿着第一弧形基体梁11的长度方向分布，第一弧形基体梁11的一端固定，另一端附着第一质量块14。
图2展示了弧形压电元件A12、弧形压电元件B13极化的方式。采用二维压电平板的能量采集器的极化方向通常是沿着固定的轴向(x、y或z轴)进行的。本结构中的弧形压电元件A12、弧形压电元件B13的极化方向是变化的并沿着径向进行的；弧形压电元件A12、弧形压电元件B13的形态是标准半弧形；不同的形态在实践中会被应用通过分析和仿真使弧形压电元件中的应力最大化和均一化。这些形态优化包括在本专利的保护范围。
图3A中，第二弧形基体梁21的一端固定，另一端附着第二质量块23。一个弧形压电元件C22被粘贴在第二弧形基体梁21的表面。图3B中，第三弧形基体梁31的一端固定，另一端自由附着有第三质量块35。弧形压电片D32、弧形压电片E33、弧形压电片F34沿被固定在第三弧形基体梁31表面相互串行连接，沿着第三弧形基体梁31长度方向相互串行连接。很显然，根据实际需要更多的弧形单元能够串联到能量采集器中。所有这些变化形式都包括在本发明中。
图4展示了另一种实施方式。这是一种双压电片形式。它包括一个第四弧形基体梁41、弧形压电片G42、弧形压电片H43、弧形压电片I44、弧形压电片J45、第四质量块46。第四弧形基体梁41一端固定，另一端连接第四质量块46。四个弧形压电片，两两一对(弧形压电片G42、弧形压电片H43；弧形压电片I44、弧形压电片J45)贴于第四弧形基体梁41的弧形表面的外边和里面。本实施方式中有两对弧形压电片串联沿着弧形基体梁长度方向分布。一对、三对或者更多对弧形压电片能够连接到能量采集器中。所以这些变形都包括在本发明中。
图5展示了另一种实施方式。能量采集器采用了一种两端固定的边界条件。第五弧形基体梁51的两端都被固定到基体上。弧形压电片K52、弧形压电片L53、弧形压电片M54和弧形压电片N55被粘贴在弧形基体梁51弧形部分的表面。弧形基体梁51的中心贴有一个第五质量块56。这一形式会引起振动非线性，其有助于工作频带的拓宽。弧形基体梁51的一端顺次连接有弧形压电片K52、弧形压电片L53，另一端顺次连接有弧形压电片M54、弧形压电片N55；在两个固定端的弧形压电片K52、弧形压电片L53、弧形压电片M54和弧形压电片N55能够拥有不同的尺寸和安装方式。弧形压电片的数量能够根据实际需要变化。所以这些变形都属于本专利的范围。
所述弧形压电片的材料是PZT或ZnO或quartz或singalcrystal材料或者其他有压电效应的材料。
在以上描述的压电陶瓷极化过程中，压电材料是在径向极化的，极化方向垂直于内外弧面。极化方向也能够是周向，平行于内外弧面。在这种极化情况下，压电陶瓷的剪切模式被利用了。
通常能量采集器采用二维的压电陶瓷元件进行能量转化。在这些机构里，压电元件中应力是不均匀分布的。越靠近悬臂梁的固定端，应力越大，也就意味着产生的电压越高。这样就会产生电荷再分配的问题(StewartMark,PaulM.Weaver,andMarkysCain."Chargeredistributioninpiezoelectricenergyharvesters."AppliedPhysicsLetters100.7(2012):073901.)。本发明很好的缓解了电荷再分配的问题。应力更为均匀的分布在弧形压电元件里。因此效率得以进一步提高。
为了证明这一发明的有效性，进行了一个对比试验。实验中基于本发明的原型机和广泛采用的传统能量采集器进行了对比。具体来说，本发明原型机采用了压电陶瓷PZT-5H(d31＝-275×10-12C/N；g31＝-9.3×10-3Vm/N)。半弧形压电片厚0.5mm,宽15mm,直径20mm。弧形基体梁由3003铝合金做成。设计了一个冷冲压模具来制作弧形基体梁上的弧形部分。原型机总长100mm。对照的传统能量采集器也是由相同的PZT-5H(0.5×15×40mm3)和3003铝合金(0.5×15×100mm3)做成。质量块重10克。实验中所有的参数都保持一致。外界振动激励都是17Hz、2.94m/s2。如图6所示，本发明可以产生超过300％的能量比传统能量采集器在相同的情况下。本实验证明了本发明的有效性。
以上描述展示了本发明的原理。基于此的多种变形和优化是十分显然的对本行业的人士。本专利不限于上文中描述的具体机构和方式。因此任何基于本发明的弧形压电能量采集器都属于本专利范围。
Claims (8)
1.基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：该采集器包括一个弧形基体梁，两个半弧形压电元件和一个质量块；弧形基体梁一端固定在振动基体上，另一端悬空附着有质量块；两个半弧形压电元件被固定在弧形基体梁的表面；弧形压电元件的极化方向是圆弧的径向；电极层在弧形压电元件的两个表面上；弧形基体梁有两个塑造成型的半圆形单元沿着基体梁长度方向串行连接在一起，用来安装半弧形压电元件。
2.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：该采集器由一个第一弧形基体梁(11)和附着在其表面的弧形压电元件A(12)、弧形压电元件B(13)、第一质量块(14)组成；第一弧形基体梁(11)为上下对称的弧形结构；弧形压电元件A(12)、弧形压电元件B(13)分别串行连接并沿着第一弧形基体梁(11)的长度方向分布，第一弧形基体梁(11)的一端固定，另一端附着第一质量块(14)；
采用二维压电平板的能量采集器的极化方向通常是沿着固定的轴向(x、y或z轴)进行的；本结构中的弧形压电元件A(12)、弧形压电元件B(13)的极化方向是变化的并沿着径向进行的；弧形压电元件A(12)、弧形压电元件B(13)的形态是标准半弧形；不同的形态在实践中会被应用通过分析和仿真使弧形压电元件中的应力最大化和均一化。
3.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：第二弧形基体梁(21)的一端固定，另一端附着第二质量块(23)；一个弧形压电元件C(22)被粘贴在第二弧形基体梁(21)的表面。
4.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：第三弧形基体梁(31)的一端固定，另一端自由附着有第三质量块(35)；弧形压电片D(32)、弧形压电片E(33)、弧形压电片F(34)沿被固定在第三弧形基体梁(31)表面相互串行连接，沿着第三弧形基体梁(31)长度方向相互串行连接；很显然，根据实际需要更多的弧形单元能够串联到能量采集器中。
5.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：该采集器包括一个第四弧形基体梁(41)、弧形压电片G(42)、弧形压电片H(43)、弧形压电片I(44)、弧形压电片J(45)、第四质量块(46)；第四弧形基体梁(41)一端固定，另一端连接第四质量块(46)；四个弧形压电片，两两一对贴于第四弧形基体梁(41)的弧形表面的外边和里面；两对弧形压电片串联沿着弧形基体梁长度方向分布；一对、三对或者更多对弧形压电片能够连接到能量采集器中。
6.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：第五弧形基体梁(51)的两端都被固定到基体上；弧形压电片K(52)、弧形压电片L(53)、弧形压电片M(54)和弧形压电片N(55)被粘贴在第五弧形基体梁(51)弧形部分的表面；第五弧形基体梁(51)的中心贴有一个第五质量块(56)；这一形式会引起振动非线性，其有助于工作频带的拓宽；弧形基体梁(51)的一端顺次连接有弧形压电片K(52)、弧形压电片L(53)，另一端顺次连接有弧形压电片M(54)、弧形压电片N(55)；在两个固定端的弧形压电片K(52)、弧形压电片L(53)、弧形压电片M(54)和弧形压电片N(55)能够拥有不同的尺寸和安装方式；弧形压电片的数量能够根据实际需要变化。
7.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：所述弧形压电片的材料是PZT或ZnO或quartz或singalcrystal材料或者其他有压电效应的材料。
8.根据权利要求1所述的基于压电效应的弧形振动能量采集器，其特征在于：压电陶瓷极化过程中，压电材料是在径向极化的，极化方向垂直于内外弧面；极化方向也能够是周向，平行于内外弧面；在这种极化情况下，压电陶瓷的剪切模式被利用了。
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