CN106026775A - 旋转式压电圆盘俘能器及其俘能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转式压电圆盘俘能器及其俘能方法，该俘能器包括旋转轴(1)和压电层合圆盘(2)，其中，压电层合圆盘(2)由压电陶瓷(4)设置在金属基板(3)表面通过导电胶粘合而成，旋转轴(1)与旋转机构同轴安装，压电层合圆盘(2)内圈固定在旋转轴上。该俘能器可直接将旋转的机械能转换为圆板的振动能，通过压电陶瓷将薄板的振动能直接转换为可用的电能，为相关设备供电。该装置弥补了现有压电俘能结构不能直接将旋转机械能转换为电能的不足，结构简单，设计安装方便，便于实现有限体积的较大能量的输出，提高能量密度，且装置的激励容易实现，特别适合应用于旋转机械能的能量收集。
Description
技术领域
本发明是一种旋转式圆盘型压电发电装置，属于新能源技术领域，特别适合收集旋转机构的旋转机械能。
背景技术
传统的电池供能方式对于无线传感器网络节点的微型化和可靠性非常不利，这在很大程度上制约了无线传感器网络技术的发展，因此直接从环境中俘能为网络传感器节点供电成为很好的替代供能方式。压电俘能装置具有：结构简单，能量密度大，易于微型化，高机电转换效率，无电磁干扰，清洁环保，易于制作，环境适应性强等优点，相较于其他方式具有更广的应用前景。
目前已有的关于压电能量收集装置的基本结构的研究主要集中在压电悬臂梁结构和用于路面振动能量收集、能承载较大应力的钹型结构，但这两种结构都不能直接用于旋转机械能的收集。为了俘获旋转机械能，有人在悬臂梁结构的基础上借助其他机械结构提出了用于旋转机械能收集的压电发电装置，将压电悬臂梁阵列按周向安装，通过碰撞或者悬磁激励的方式将旋转机械能转化为悬臂梁阵列的振动能，进而转换成电能。这种旋转式压电发电机本身结构比较复杂，在设计时为了避免悬臂梁振幅超过压电陶瓷的承受范围以致产生脆性断裂，还要考虑安装限位器，这就增加了设计的难度和装置的体积，不利于提高装置的能量密度、拓宽装置的应用范围。
发明内容
技术问题：本发明目的在于弥补现有压电俘能结构不能直接将旋转机械能转换为电能的不足，提出了一种更为简单直接的旋转式压电俘能器及其俘能方法，该俘能器可直接将旋转的机械能转换为圆板的振动能，通过压电陶瓷将薄板的振动能直接转换为可用的电能，为相关设备供电。本发明结构简单，设计安装方便，便于实现有限体积的较大能量的输出，提高能量密度，且装置的激励容易实现，特别适合应用于旋转机械能的能量收集。
技术方案：本发明的一种旋转式压电圆盘俘能器包括旋转轴和压电层合圆盘，其中，压电层合圆盘由压电陶瓷设置在金属基板表面通过导电胶粘合而成，旋转轴与旋转机构同轴安装，压电层合圆盘内圈固定在旋转轴上。
压电层合圆盘的压电陶瓷根据压电层合圆盘的目标振型(0，2)设计分区和电极，在该振型下，压电陶瓷分为四块，极化方向相同，每块的外国中心位置在振幅最大的点，正负电极间隔排列。
本发明的旋转式压电圆盘俘能器的俘能方法是，为了激起压电层合圆盘的目标振型，在压电层合圆盘的基板侧，靠近外国的某固定位置，加一个大小固定、方向与基板平面垂直的点作用力F，压电层合圆盘随旋转轴按特定转速旋转，在固定的点作用力F的作用下压电层合圆盘按目标振型振动，利用压电陶瓷的正压电效应产生电能。
本发明在圆盘外国固定位置加一个固定大小的点作用力，该力可以由撞击器或者加装永磁体通过悬磁方式实现。当压电层合圆盘随着旋转轴旋转时，点作用力周期性地作用在圆盘外周的点上，引起圆盘的形变，由于正压电效应，压电陶瓷会将机械变形转换为电能，通过合理的电极安装可将电能引出，为相关负载供电。当复合圆盘的转速接近圆盘某个振型的共振频率时，复合圆盘会发生共振，对应不同的振型，对压电层进行分区，合理设计正负电极，有利于提高输出压电复合圆盘的输出电压和输出功率。
有益效果：本发明所述的压电圆盘俘能器具有如下有益效果，
1.首次提出了基于压电圆盘结构的旋转能量收集装置，可直接用于旋转机构的能量收集。
2.结构简单，安装方便，便于实现有限体积的较大电能输出，能量密度较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的压电层合圆盘的层合剖视图。
其中有：旋转轴1、压电层合圆盘2、金属基板3、压电陶瓷层4、正负电极5、环氧树脂导电胶6、点作用力F。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明的旋转式压电圆盘俘能器，其结构如图1所示，包括旋转轴1，压电层合圆盘2两部分，其中压电层合圆盘由金属基板3和压电陶瓷层4层合而成，图1所示的圆盘式压电俘能器是按照圆盘的(0，2)振型设计的，因此压电陶瓷层分成四块，四块压电陶瓷极化方向相同，正负电极5间隔排列，这种电极分布有利于提高压电圆盘在上述振型下的输出电压和功率，进而提高俘能器的能量转换效率。压电层合圆盘局部剖面图如图2所示，压电陶瓷4通过环氧树脂导电胶6粘结在金属基板3上。
压电层合圆盘与旋转机构共轴安装，内圈固定在旋转轴1上，外国自由，在金属基板侧接近圆盘外国的某个固定位置，加一个大小固定、方向与基板中性面垂直的点作用力F，如图1所示。
当压电层合圆盘2随旋转轴按一定角速度Ω旋转时，点作用力F会周期性地作用在基板3外国的各个点上，压电层合圆盘2在该力F的作用下会发生形变，由于压电陶瓷的正压电效应，本发明所述的压电圆盘俘能器会产生电能。当压电圆盘俘能器的转速恰好等于压电层合圆盘2在本发明所述边界条件下某个振型的共振频率时，圆盘会发生共振，此时通过合理的压电层分区和电极设计，可以较大地提高装置的电能转换效率。此时装置输出的电能是接近于正弦的交流电，通过整流电路和阻抗匹配电路的设计，可以为相应负载供电。
点作用力F可以通过撞击器加到基板上，也可以通过加装永磁体，通过悬磁方式施加。
Claims (3)
1.一种旋转式压电圆盘俘能器，其特征在于该俘能器包括旋转轴(1)和压电层合圆盘(2)，其中，压电层合圆盘(2)由压电陶瓷(4)设置在金属基板(3)表面通过导电胶粘合而成，旋转轴(1)与旋转机构同轴安装，压电层合圆盘(2)内圈固定在旋转轴上。
2.根据权利要求1所述的旋转式压电圆盘俘能器，其特征在于：压电层合圆盘(2)的压电陶瓷(4)根据压电层合圆盘(2)的目标振型(0，2)设计分区和电极，在该振型下，压电陶瓷分为四块，极化方向相同，每块的外圈中心位置在振幅最大的点，正负电极(5)间隔排列。
3.一种如权利要求1所述的旋转式压电圆盘俘能器的俘能方法，其特征在于：为了激起压电层合圆盘的目标振型，在压电层合圆盘的基板侧，靠近外圈的某固定位置，加一个大小固定、方向与基板平面垂直的点作用力F，压电层合圆盘随旋转轴按特定转速旋转，在固定的点作用力F的作用下压电层合圆盘按目标振型振动，利用压电陶瓷的正压电效应产生电能。
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