CN107181427A - 压电能量采集器及发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电能量采集器，用于产生压电效应的压电板，压电板包括第一压电板和第二压电板；多臂梁，多臂梁包括主梁和设在主梁上的若干支梁，主梁的一端固定设置，第一压电板设在主梁上，第二压电板设在支梁上；质量块，质量块设在主梁的另一端，质量块与各支梁错开设置。通过主梁和支梁的设置，主梁和支梁分别具有各自不同的频率，当发生振动时，主梁和支梁分别与不同的振动频率匹配，从而使整个系统的谐振频率点增多，使频带拓宽，解决传统压电能量采集器工作频率单一、频带窄的问题，质量块的设置可降低主梁的固有频率，使多臂梁尽快与环境振动源达到谐振状态，使产生的电压更大，提高压电能量采集器的采集和转换效率。

Description

压电能量采集器及发电设备

技术领域

本发明涉及压电能量采集技术领域，特别是涉及一种压电能量采集器及发电设备。

背景技术

压电能量采集是利用压电陶瓷晶片的压电效应，将无线传感器网络节点工作环境中的振动能采集转化为电能。这种技术以自给自足的方式解决自身供电问题，突破了电池电源使用寿命短和污染环境的新型能量采集技术。与其他发电原理相比，压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现结构的微小化和集成化等诸多优点，且满足低耗能产品的功能需求。

典型的压电振动能量采集器结构是末端带有质量块的压电双晶悬臂梁结构，这种结构使能量采集器的工作频率单一、频带窄、能量采集效率低下。由于环境振动的频带较宽，随机性大，当环境振动频率稍微偏离压电振动能量采集器的谐振频率时，压电振动能量采集器的采集和转换效率就大大降低。

发明内容

基于此，有必要针对压电能量采集器工作频率单一、频带窄、采集和转换效率低下的问题，提供一种压电能量采集器及发电设备。

其技术方案如下：

压电能量采集器，用于产生压电效应的压电板，压电板包括第一压电板和第二压电板；多臂梁，多臂梁包括主梁和设在主梁上的若干支梁，主梁的一端固定设置，第一压电板设在主梁上，第二压电板设在支梁上；质量块，质量块设在主梁的另一端，质量块与各支梁错开设置。

上述压电能量采集器，通过主梁和支梁的设置，主梁和支梁分别具有各自不同的频率，当发生振动时，主梁和支梁分别与不同的振动频率匹配，从而使整个系统的谐振频率点增多，使频带拓宽，解决传统压电能量采集器工作频率单一、频带窄的问题，质量块的设置可降低主梁的固有频率，使多臂梁尽快与环境振动源达到谐振状态，使产生的电压更大，提高压电能量采集器的采集和转换效率。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，质量块包括基座和至少两个质量块单元，各质量块单元错开设置在基座上，基座的另一端与主梁的另一端固定连接。多个质量块单元的设置可有效降低多臂梁的固有频率，以尽快使多臂梁与环境振动频率达到一致，并迅速进入谐振状态，从而产生更大的电压，进一步提高压电能量采集器的采集和转换效率。

在其中一个实施例中，各支梁之间互不交叉也不重合，各支梁沿主梁所在轴线轴对称设置。因各支梁较为脆弱，互不交叉且不重合的设置使得振动时各支梁之间不易发生干涉造成断裂或损坏，提高压电能量采集器的使用寿命并降低维护成本，各支梁沿主梁所在轴线轴对称设置可使各支梁在振动时受力更加均匀，以更快与振动源的振动频率达到谐振状态，提高电能转换效率。

在其中一个实施例中，第一压电板设有至少两个，第二压电板设有至少两个，还包括导电板，导电板包括第一导电板和第二导电板，第一导电板设在相邻第一压电板之间，第二导电板设在相邻第二压电板之间。多层的第一压电板和多层的第二压电板设置提高了能量采集量，还提高了主梁和支梁的抗弯能力，第一导电板和第二导电板的设置用于传输电能，实现最终被转换后的电能收集。

在其中一个实施例中，导电板为柔性电路板，压电板为压电陶瓷片，两个支梁对称设置于主梁的两侧为一组，至少两组支梁沿主梁的长度方向间隔设置。柔性电路板的耐折性好，可任意弯折，降低振动时被折断的风险，由于良好的柔韧性，在主梁末端稍微施加振动，即可实现多臂梁的振动，开始转换产生电能，压电陶瓷片采购成本低，降低生产成本，沿主梁对称设置成多组的支梁使得振动时受力更加均匀，以实现多臂梁迅速与振动源达到谐振状态，提高压电能量采集效率。

在其中一个实施例中，第一导电板粘设在相邻第一压电板之间，第二导电板粘设在相邻第二压电板之间。粘设操作简单，维修方便，降低生产成本。

在其中一个实施例中，至少两个第一压电板设有与外接导线连接的第一电极，至少两个第二压电板设有与外接导线连接的第二电极。至少两个第一压电板上的第一电极的设置可根据需要在其中的两个第一电极上外接导线，以实现将第一压电板上转换出的电能输出，至少两个第二压电板上的第二电极的设置效果相同，此为第一压电板和第二压电板产生电能分别独立输出的情况。另外，当其中的第一压电板发生损坏时，可直接跳过该第一压电板与紧邻的正常第一压电板上的第一电极连接，以保持电能可正常输出，而无需拆卸或更换所有的第一压电板，降低维护成本，提高生产效益，第二压电板效果相同。

或第一压电板的线路和第二压电板的线路连接在一起，第一压电板设有一个第一电极，第二压电板设有一个第二电极。当第一压电板和第二压电板连接时，也即第一压电板的电能和第二压电板的电能汇集后整体进行输出时，只需两个电极即可，此时，第一压电板上设置一个第一电极，第二压电板上设置一个第二电极即可实现电能的整体输出。

在其中一个实施例中，主梁的一端设有用于固定的插槽或凸柱。插槽或凸柱的设置可快速实现与固定架的连接，提高压电能量采集器的安装效率，同时维修更换便捷。

一种发电设备，包括上述任意技术方案所述的压电能量采集器，压电能量采集器间隔设有多个，还包括固定各压电能量采集器的固定架。固定架设在靠近振动源的地方，多个压电能量采集器共同收集振动能量并将其转换为电能，最终输出到所需的地方。

在其中一个实施例中，还包括转换各压电能量采集器产生的电能的变压器。变压器将各压电能量采集器转换后的电能的电压转换为可使用的电压以供生产或生活所需。

附图说明

图1为压电能量采集器的整体结构示意图。

100、主梁，200、支梁，300、质量块，310、质量块单元，320、基座，400、固定架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，压电能量采集器，用于产生压电效应的压电板，压电板包括第一压电板和第二压电板；多臂梁，多臂梁包括主梁100和设在主梁100上的若干支梁200，主梁100的一端固定设置，第一压电板设在主梁100上，第二压电板设在支梁200上；质量块300，质量块300设在主梁100的另一端，质量块 300与各支梁200错开设置。

上述压电能量采集器，通过主梁100和支梁200的设置，主梁100和支梁 200分别具有各自不同的频率，当发生振动时，主梁100和支梁200分别与不同的振动频率匹配，从而使整个系统的谐振频率点增多，使频带拓宽，解决传统压电能量采集器工作频率单一、频带窄的问题，质量块300的设置可降低主梁 100的固有频率，使多臂梁尽快与环境振动源达到谐振状态，使产生的电压更大，提高压电能量采集器的采集和转换效率。

如图1所示，质量块300包括基座320和至少两个质量块单元310，各质量块单元310错开设置在基座320上，基座320的另一端与主梁100的另一端固定连接。多个质量块单元310的设置可有效降低多臂梁的固有频率，以尽快使多臂梁与环境振动频率达到一致，并迅速进入谐振状态，从而产生更大的电压，进一步提高压电能量采集器的采集和转换效率。

如图1所示，各支梁200之间互不交叉也不重合，各支梁200沿主梁100 所在轴线轴对称设置。因各支梁200较为脆弱，互不交叉且不重合的设置使得振动时各支梁200之间不易发生干涉造成断裂或损坏，提高压电能量采集器的使用寿命并降低维护成本，各支梁200沿主梁100所在轴线轴对称设置可使各支梁200在振动时受力更加均匀，以更快与振动源的振动频率达到谐振状态，提高电能转换效率。当压电能量采集器呈平面状设置时，主梁100的两侧分别对称设置支梁200，且位于固定架400一侧的支梁200上还进一步设置有第一分支梁，远离固定架400一侧的支梁200上还进一步设置有第二分支梁，第一分支梁的分支数少于第二分支梁的分支数，因第二分支梁远离固定架400，在接受到振动源的刺激后，更容易产生振动，第二分支梁的分支数设置更多即可尽快与外部的不同的振动源的频率相匹配，以带动整个多臂梁振动，与振动源达到谐振状态，实现高效率的电能转换。

如图1所示，第一压电板设有至少两个，第二压电板设有至少两个，还包括导电板，导电板包括第一导电板和第二导电板，第一导电板设在相邻第一压电板之间，第二导电板设在相邻第二压电板之间。多层的第一压电板和多层的第二压电板设置提高了能量采集量，还提高了主梁100和支梁200的抗弯能力，第一导电板和第二导电板的设置用于传输电能，实现最终被转换后的电能收集。

相邻第一压电板之间均设有第一导电板，相邻第二压电板之间均设有第二导电板，以将各第一导电板/各第二导电板分别转换的电能连通汇集，以实现整体输出。

如图1所示，导电板为柔性电路板，压电板为压电陶瓷片，两个支梁200 对称设置于主梁100的两侧为一组，至少两组支梁200沿主梁100的长度方向间隔设置。柔性电路板的耐折性好，可任意弯折，降低振动时被折断的风险，由于良好的柔韧性，在主梁100末端稍微施加振动，即可实现多臂梁的振动，开始转换产生电能，压电陶瓷片采购成本低，降低生产成本，沿主梁100对称设置成多组的支梁200使得振动时受力更加均匀，以实现多臂梁迅速与振动源达到谐振状态，提高压电能量采集效率。

如图1所示，第一导电板粘设在相邻第一压电板之间，第二导电板粘设在相邻第二压电板之间。粘设操作简单，维修方便，降低生产成本。

更进一步的，第一导电板和第一压电板之间用胶水进行粘接，第二导电板和第二压电板之间也用胶水进行粘接，胶水的采购和实用方便，降低生产成本和人工维护成本。

如图1所示，至少两个第一压电板设有与外接导线连接的第一电极，至少两个第二压电板设有与外接导线连接的第二电极。至少两个第一压电板上的第一电极的设置可根据需要在其中的两个第一电极上外接导线，以实现将第一压电板上转换出的电能输出，至少两个第二压电板上的第二电极的设置效果相同，此为第一压电板和第二压电板产生电能分别独立输出的情况。另外，当其中的第一压电板发生损坏时，可直接跳过该第一压电板与紧邻的正常第一压电板上的第一电极连接，以保持电能可正常输出，而无需拆卸或更换所有的第一压电板，降低维护成本，提高生产效益，第二压电板效果相同。

如图1所示，第一压电板的线路和第二压电板的线路连接在一起，第一压电板设有一个第一电极，第二压电板设有一个第二电极。当第一压电板和第二压电板连接时，也即第一压电板的电能和第二压电板的电能汇集后整体进行输出时，只需两个电极即可，此时，第一压电板上设置一个第一电极，第二压电板上设置一个第二电极即可实现电能的整体输出。

如图1所示，主梁100的一端设有用于固定的插槽或凸柱。插槽或凸柱的设置可快速实现与固定架400的连接，提高压电能量采集器的安装效率，同时维修更换便捷。

一种发电设备，包括上述任意技术方案所述的压电能量采集器，压电能量采集器间隔设有多个，还包括固定各压电能量采集器的固定架400。固定架400 设在靠近振动源的地方，多个压电能量采集器共同收集振动能量并将其转换为电能，最终输出到所需的地方。

如图1所示，还包括转换各压电能量采集器产生的电能的变压器。变压器将各压电能量采集器转换后的电能的电压转换为可使用的电压以供生产或生活所需。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.压电能量采集器，其特征在于，包括：

用于产生压电效应的压电板，所述压电板包括第一压电板和第二压电板；

多臂梁，所述多臂梁包括主梁和设在所述主梁上的若干支梁，所述主梁的一端固定设置，所述第一压电板设在所述主梁上，所述第二压电板设在所述支梁上；

质量块，所述质量块设在所述主梁的另一端，所述质量块与各所述支梁错开设置。

2.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：所述质量块包括基座和至少两个质量块单元，各所述质量块单元错开设置在所述基座上，所述基座的另一端与所述主梁的另一端固定连接。

3.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：各所述支梁之间互不交叉也不重合，各所述支梁沿所述主梁所在轴线轴对称设置。

4.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：所述第一压电板设有至少两个，所述第二压电板设有至少两个，还包括导电板，所述导电板包括第一导电板和第二导电板，所述第一导电板设在相邻所述第一压电板之间，所述第二导电板设在相邻所述第二压电板之间。

5.根据权利要求4所述的压电能量采集器，其特征在于：所述导电板为柔性电路板，所述压电板为压电陶瓷片，两个所述支梁对称设置于所述主梁的两侧为一组，至少两组所述支梁沿所述主梁的长度方向间隔设置。

6.根据权利要求4所述的压电能量采集器，其特征在于：所述第一导电板粘设在相邻所述第一压电板之间，所述第二导电板粘设在相邻所述第二压电板之间。

7.根据权利要求4所述的压电能量采集器，其特征在于：至少两个所述第一压电板设有与外接导线连接的第一电极，至少两个所述第二压电板设有与外接导线连接的第二电极；或

所述第一压电板的线路和所述第二压电板的线路连接在一起，所述第一压电板设有一个第一电极，所述第二压电板设有一个第二电极。

8.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：所述主梁的一端设有用于固定的插槽或凸柱。

9.发电设备，其特征在于：包括权利要求1-8任意一项所述的压电能量采集器，所述压电能量采集器间隔设有多个，还包括固定各所述压电能量采集器的固定架。

10.根据权利要求9所述的发电设备，其特征在于：还包括转换各所述压电能量采集器产生的电能的变压器。