CN106374777A - 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 - Google Patents
一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106374777A CN106374777A CN201610854221.4A CN201610854221A CN106374777A CN 106374777 A CN106374777 A CN 106374777A CN 201610854221 A CN201610854221 A CN 201610854221A CN 106374777 A CN106374777 A CN 106374777A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cantilever beam
- vibration
- energy
- vibration energy
- segment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
Abstract
本发明公开了一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，包括支座和固定安装在支座上的S型悬臂梁，所述S型悬臂梁由基板段、弯曲段以及自由段构成；所述基板段以及自由段的表面安装有压电元件，用于将悬臂梁振动产生的能量转换成电能；所述自由段的末端安装有质量块，用于调节悬臂梁的谐振频率与振动幅值；所述弯曲段的刚度远大于基板段和自由段。本发明所述的振动能量采集器通过S型压电悬臂梁与末端质量块控制系统前两阶振动模态，形成一个比较宽的工作频带,该装置易于起振，能量回收效率与运行稳定性高，可实现对环境振动能量的转换。
Description
技术领域
本发明涉及振动应用和电力技术领域，尤其涉及一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，属于将振动环境下产生的机械能转化为电能并加以收集供微电子器件使用的技术领域。
背景技术
随着微机电加工技术和无线技术的不断进步，嵌入式系统、无线传感器网络、智能可穿戴设备以及各种可植入微型传感器等电子设备已进入微型化、集成化和低功耗时代。然而，供能技术已成为制约上述电子器件进一步发展的瓶颈。传统的化学电池存在体积较大、寿命有限、需要定期人工更换等各种缺陷，难以满足新一代微型器件的供能要求。因此，新的供能技术已经成为亟待解决的研究问题。
从环境中获取能量已逐步发展成为一种新的技术思路。环境中广泛存在的机械动能、太阳能、风能等等都可以作为供能来源。其中的振动能量广泛存在于工业现场和周围环境中，并且没有类似太阳能、风能一样的自然条件制约。加之压电能量回收技术的迅速发展，使得从振动环境中回收能量并直接转化为低功耗微型电子元件供电具有广阔的应用前景。
对此国内外学者开展了大量的研究，其中基于压电效应的振动环境能量采集方式因具有结构紧凑、无电磁干扰、能量密度较高等优点而成为国内外研究的重点。压电式振动能量采集装置常采用的振动结构有悬臂梁结构、圆形结构、钹形结构等形式。其中传统的悬臂梁结构是能量采集器中最常用的形式，其结构简单，较容易实现。但是也有其缺点：若降低谐振频率则需通过增加悬臂梁长度，但悬臂梁过长不利于器件的微型化。此外，现有能量采集器多为固定频率的工作方式，即能量采集器只能工作在较窄的单一频率范围之内，而环境中的振源频率可能在某一范围内随时波动，或者有多个振动频率，这时若能量采集器的谐振频率与环境振源的频率不能较好地匹配，则采集的能量会大大降低，整体的输出功率也会急剧减小，难以保证微电子器件的正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种能够适应较宽的环境振源频率波动范围，提高能量采集器的实用性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：包括支座和固定安装在支座上的S型悬臂梁，所述S型悬臂梁由基板段、弯曲段以及自由段构成；所述基板段以及自由段的表面安装有压电元件，用于将悬臂梁振动产生的能量转换成电能；所述自由段的末端安装有质量块，用于调节悬臂梁的谐振频率与振动幅值。
进一步的，所述S型压电悬臂梁与末端质量块控制系统振动模态与频率，形成一个比较宽的工作频带。
进一步的，所述弯曲段的刚度大，形变小，可减小能量损耗，能很好的将自由段振动产生的弯矩传递到基板段，使基板段产生近似等应变，提高基板段上的压电元件的能量转换效率。
进一步的，所述基板段、弯曲段以及自由段为一体的，构成S型金属基板。
进一步的，所述S形压电悬臂梁振动能量采集器是由自由段振动产生能量，而上下两块自由段是对称起振的，所产生的作用力相互抵消，对支座没有附加作用力，运行稳定性高。
进一步的，所述压电元件可以根据实际需要选用PZT、PVDF或PMNPT压电材料，在垂直方向上极化，表面镀有电极。
本发明的优点在于：
1.本发明的S型压电悬臂梁振动能量采集器能够有效降低能量采集器的各阶谐振频率，扩大了工作频率带宽，从而适应环境振源的频率波动，提高了输出功率的稳定性。
2.本发明的S形压电悬臂梁振动能量采集器是由自由段2振动产生能量，而上下两块自由段2是对称起振的，所产生的作用力相互抵消，对支座1没有附加作用力，运行稳定性高。
3.本发明的S形压电悬臂梁振动能量采集器的由自由段2上下振动产生的弯矩通过刚度较大的弯曲段3传递到基板段4，在基板段4上产生近似等应变，提高了压电元件5的能量转换效率。
4.本发明的S型压电悬臂梁振动能量采集器结构简单紧凑、加工制作成本较低、无电磁干扰、相比传统的化学电池更具有环保无污染的优点，并在一定程度上可满足结构小型化、集成化的要求。
附图说明
图1为本发明一种S型压电悬臂梁振动能量采集器结构示意图。
图2为本发明结构的一阶模态仿真图。
图3为本发明结构的二阶模态仿真图。
附图标记含义为：1为支座，2为自由段，3为弯曲段，4为基板段，5为压电元件，6为质量块。
注：附图中相同的结构只标注了一次，但是可以存在多个；如自由段2有2个，弯曲段3有2个，压电元件5有4个，质量块6有2个。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明装置作进一步的详细说明。
参照图1，本发明公开的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器由支座1、自由段2、弯曲段3、基板段4、压电元件5、质量块6组成。支座1上固定安装在支座上的S型悬臂梁，所述S型悬臂梁由基板段4、弯曲段3以及自由段2构成；所述基板段4及自由段2的表面通过粘接胶粘结有压电元件5；所述自由段2的末端固定有质量块6。
参照图2、图3，一阶和二阶模态仿真图是在ANSYS workbench14.5环境下仿真得到的，附图中的英文是软件自动生成的。当本S型压电悬臂梁振动能量采集器在工作环境下，环境中的振动引发自由段2的振动，自由段2由于受到外力作用而发生弯曲振动，引起压电元件5的形变，从而使压电元件5上下产生电势差，并输出电压，显著提高了振动能向电能的转换效率；除此之外，自由段2振动产生的能量会通过弯曲段3传导到基板段4上，由于弯曲段3的刚度大，能量损耗小，从而基板段4的振动引起压电元件5的形变。该S型压电悬臂梁与末端质量块6控制系统前两阶振动模态频率，形成一个比较宽的工作频带，该装置易于起振，能量回收效率与运行稳定性高，而且该悬臂梁是通过上下两块自由段2振动产生能量，因而可收集到的能量相比于传统的悬臂梁更多。
Claims (6)
1.一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：包括支座(1)和固定安装在支座上的S型悬臂梁，所述S型悬臂梁由基板段(4)、弯曲段(3)以及自由段(2)构成；所述基板段(4)以及自由段(2)的表面安装有压电元件(5)，用于将悬臂梁振动产生的能量转换成电能；所述自由段(2)的末端安装有质量块(6)，用于调节悬臂梁的谐振频率与振动幅值。
2.根据权利要求1所述的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：所述S型压电悬臂梁与末端质量块控制系统前两阶振动模态，形成一个比较宽的工作频带。
3.根据权利要求1所述的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：所述弯曲段(3)的刚度大，形变小，可减小能量损耗，能很好的将自由段(2)振动产生的弯矩传递到基板段(4)，使基板段(4)产生近似等应变，提高基板段(4)上的压电元件(5)的能量转换效率。
4.根据权利要求1所述的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：所述基板段(4)、弯曲段(3)以及自由段(2)为一体的，构成S型金属基板。
5.根据权利要求1所述的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：所述S形压电悬臂梁振动能量采集器是由自由段(2)振动产生能量，而上下两块自由段(2)是对称起振的，所产生的作用力相互抵消，对支座(1)没有附加作用力，运行稳定性高。
6.根据权利要求1所述的一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：所述压电元件(5)可以根据实际需要选用PZT、PVDF或PMNPT压电材料，在垂直方向上极化，表面镀有电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610854221.4A CN106374777B (zh) | 2016-09-27 | 2016-09-27 | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610854221.4A CN106374777B (zh) | 2016-09-27 | 2016-09-27 | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106374777A true CN106374777A (zh) | 2017-02-01 |
| CN106374777B CN106374777B (zh) | 2018-01-12 |
Family
ID=57897351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610854221.4A Expired - Fee Related CN106374777B (zh) | 2016-09-27 | 2016-09-27 | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106374777B (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106787943A (zh) * | 2017-02-18 | 2017-05-31 | 中国大唐集团科技工程有限公司 | 一种s型压电振动能量收集装置 |
| CN108270370A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 南京邮电大学 | 一种多向宽频的压电式能量收集装置 |
| CN108593091A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-09-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于压电振动能量收集的故障诊断及健康监测装置 |
| CN108923685A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-30 | 南京航空航天大学 | 一种用于超低频振动能量转化的压电弹簧 |
| CN109327160A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-02-12 | 武汉理工大学 | 一种p型自整流压电俘能器及其制备方法 |
| CN109428516A (zh) * | 2017-08-29 | 2019-03-05 | 三角力量管理株式会社 | 发电元件 |
| CN109980992A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 华北电力大学 | 一种多谐振振动能量采集装置 |
| CN112019088A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-01 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
| US11508900B2 (en) | 2019-11-26 | 2022-11-22 | The Chinese University Of Hong Kong | Human joint energy harvesting apparatus and wearable electronic device comprising the same |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104218848A (zh) * | 2014-10-09 | 2014-12-17 | 吉林大学 | 一种自适应压电发电悬臂梁 |
-
2016
- 2016-09-27 CN CN201610854221.4A patent/CN106374777B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104218848A (zh) * | 2014-10-09 | 2014-12-17 | 吉林大学 | 一种自适应压电发电悬臂梁 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈亮亮等: "褶皱型复合式压电换能结构模型的改进及分析", 《江苏航空》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106787943B (zh) * | 2017-02-18 | 2018-10-23 | 中国大唐集团科技工程有限公司 | 一种s型压电振动能量收集装置 |
| CN106787943A (zh) * | 2017-02-18 | 2017-05-31 | 中国大唐集团科技工程有限公司 | 一种s型压电振动能量收集装置 |
| CN109428516A (zh) * | 2017-08-29 | 2019-03-05 | 三角力量管理株式会社 | 发电元件 |
| CN109428516B (zh) * | 2017-08-29 | 2020-01-07 | 三角力量管理株式会社 | 发电元件 |
| US11329576B2 (en) | 2017-08-29 | 2022-05-10 | Tri-Force Management Corporation | Power generating element |
| CN109980992A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 华北电力大学 | 一种多谐振振动能量采集装置 |
| CN108270370A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 南京邮电大学 | 一种多向宽频的压电式能量收集装置 |
| CN108593091A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-09-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于压电振动能量收集的故障诊断及健康监测装置 |
| CN108923685A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-30 | 南京航空航天大学 | 一种用于超低频振动能量转化的压电弹簧 |
| CN109327160A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-02-12 | 武汉理工大学 | 一种p型自整流压电俘能器及其制备方法 |
| US11508900B2 (en) | 2019-11-26 | 2022-11-22 | The Chinese University Of Hong Kong | Human joint energy harvesting apparatus and wearable electronic device comprising the same |
| CN112019088A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-01 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
| CN112019088B (zh) * | 2020-09-10 | 2024-03-15 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106374777B (zh) | 2018-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106374777B (zh) | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 | |
| CN103023378B (zh) | 宽频带多方向振动能量采集器 | |
| CN106856380B (zh) | 一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置 | |
| CN102594203B (zh) | 纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置 | |
| CN110445417A (zh) | 一种低频宽频带震动俘能装置 | |
| CN101272109A (zh) | 一种宽频带压电振动发电装置 | |
| CN103746604A (zh) | 一种基于横振带隙的声子晶体发电装置 | |
| CN202385032U (zh) | 一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机 | |
| CN105680720A (zh) | 多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器 | |
| CN105553331B (zh) | 一种低频压电振动能量收集器 | |
| CN104158440A (zh) | 一种升频式振动能量采集系统及采集方法 | |
| CN104362899A (zh) | 一种基于定频自振的波浪能压电发电装置 | |
| CN109194193B (zh) | 桥式自适应压电能量采集器 | |
| CN102412757A (zh) | 一种基频共振频率可调的悬臂型压电发电机 | |
| CN106341055A (zh) | 振动能量采集器 | |
| CN203278697U (zh) | 一种宽频带多方向振动能量采集器 | |
| CN109039156A (zh) | 一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器 | |
| CN202524321U (zh) | 纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置 | |
| CN103762892B (zh) | 一种基于扭振带隙的声子晶体发电装置 | |
| CN105958865A (zh) | 基于等腰梯形悬臂梁的压电-电磁俘能装置 | |
| CN105515444A (zh) | 一种杆环结构多方向压电发电装置 | |
| CN112072952A (zh) | 一种双谐振式低频延伸振动发电装置和方法 | |
| CN108832842A (zh) | 一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器 | |
| CN106856381B (zh) | 一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置 | |
| CN109889082A (zh) | 基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180112 Termination date: 20210927 |