CN107769614A - 一种压电式多方向振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电式多方向振动能量采集装置，属于新能源和发电技术领域。框架通过螺钉安装于底座上，每个面通过螺钉安装有侧板；每个侧板通过缓冲弹簧连接有惯性块；每个惯性块的四周分别固定有一组压电振子，并且通过弹簧连接有中心质量块；一组压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，每组压电振子通过导线并联起来，并联是指各金属基板之间经导线相互连接、各压电晶片之间经导线相互连接；底座上固定有整流电路和储能装置；整流电路经导线连接有压电振子和储能装置。优势在于，可实现任意方向及低频振动能量回收，且具有高可靠性、高能量效率的特点。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种压电式多方向振动能量采集装置，用于低频、大振幅、多方向的振动能量采集。
背景技术
针对目前便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统的供电问题，和大量废弃电池污染环境和生产电池所造成的资源浪费问题，压电式振动能量采集装置的成功开发与利用大大解决了这些问题。而由于环境振动特点及应用目的的不同，目前国内外均已提出了较多类型的压电能量采集装置。但由于压电陶瓷为脆性材料，且其所构成的弯曲型压电振子具有变形方向单一和谐振频率较高的特点，因此现有压电能量采集装置在振动环境的适应能力、可靠性及能量转换效率等方面还有较大的局限性。
众所周知，对于压电式振动能量采集装置，仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时方能达到较高的发电能力和能量转换效率。但因压电振子自身的谐振频率较高，通常为几百、甚至几千赫兹，而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是在悬臂梁压电振子端部安装惯性块，其弊端是当所安装的惯性块较大时，即使在非工作状态时压电振子就已产生较大变形，工作中极易因变形过大而损毁。另一方面，现实中非结构环境下的振源具有多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性。因此，针对现有的振动能量回收结构只对单一方向敏感、振动能量回收效率不高等缺陷，本发明提出一种压电式多方向振动能量采集装置。
发明内容
本发明提供一种压电式多方向振动能量采集装置，以解决现有压电材料发电装置固有频率高、大振幅振动损毁、无法收集多方向振动能量等问题。
本发明采用的实施方案是：框架顶面通过螺钉安装有顶板、各侧面通过螺钉安装有侧板、底面通过螺钉安装于底座上；所述顶板内侧通过顶部缓冲弹簧连接有顶部惯性块、各侧板内侧通过周边缓冲弹簧连接有周边惯性块、底座通过底部缓冲弹簧连接有底部惯性块；所述顶部惯性块、周边惯性块、底部惯性块的四周分别固定有一组压电振子，并且顶部惯性块、周边惯性块、底部惯性块的内侧分别通过顶部弹簧、周边弹簧、底部弹簧连接有中心质量块；所述一组压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，每组压电振子通过导线并联起来，并联是指各金属基板之间经导线相互连接、各压电晶片之间经导线相互连接；所述底座上固定有整流电路和储能装置；所述整流电路经导线连接有压电振子和储能装置。
在自然状态下，中心质量块在所有弹簧的作用下处于平衡状态，各压电振子均处于自然状态，即不受外力作用、不产生形变。当框架受外界任一方向振动时，中心质量块的位置即发生变化，所产生的惯性作用力通过弹簧使得惯性块的位置发生改变，从而使压电振子产生弯曲变形，并将机械能转换成电能。而各个压电振子之间经导线相互连接并经过整流电路后，最终连接储能装置，将所有压电振子所产生的电能储存起来。
本发明的特点及优势在于，利用中心质量块的位置变化致使弹簧牵引惯性块的方法激励压电振子，可实现任意方向及低频振动能量回收，且具有高可靠性、高能量效率的特点：①环境中任意方向的振动都可引起中心质量块的相对运动，中心质量块位置变化使弹簧牵引惯性块运动，惯性块的惯性力使压电振子产生变形、并将机械能转换成电能；②中心质量块自身的重力通过弹簧作用在惯性块上，其质量的大小对压电振子的振动特性无直接影响，可采用较大中心质量块降低发电装置的固有频率，从而实现低频振动能量回收；③采集装置中惯性块与装置外侧板之间固定有缓冲弹簧使得压电振子不至于因振幅过大而损毁，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中能量采集装置的结构剖面示意图；
图2是本发明中框架的每个面设有四组压电振子的结构示意图；
图3是本发明中预弯压电振子的结构示意图。
具体实施方式：
本发明采用的实施方案是：框架1顶面通过螺钉安装有顶板2、各侧面通过螺钉安装有侧板8、底面通过螺钉安装于底座11上；所述顶板2内侧通过顶部缓冲弹簧4连接有顶部惯性块6、各侧板8内侧通过周边缓冲弹簧9连接有周边惯性块10、底座11通过底部缓冲弹簧15连接有底部惯性块14；所述顶部惯性块6、周边惯性块10、底部惯性块14的四周分别固定有一组压电振子3，并且顶部惯性块6、周边惯性块10、底部惯性块14的内侧分别通过顶部弹簧5、周边弹簧16、底部弹簧15连接有中心质量块7；所述一组压电振子3由金属基板301和压电晶片302粘接而成，每组压电振子3通过导线并联起来，并联是指各金属基板301之间经导线相互连接、各压电晶片302之间经导线相互连接；所述底座11上固定有整流电路17和储能装置12；所述整流电路17经导线连接有压电振子3和储能装置12。
本发明实例中框架以四面体为例，为其他多面体时，本领域普通技术不需创造性劳动依然能实现本发明。
本发明实例中框架的每个面都设有四组压电振子，为多组压电振子时，本领域不需创造性劳动依然能实现本发明。
本发明实例中压电振子采用预弯的压电振子。
在自然状态下，中心质量块7在所有弹簧的作用下处于平衡状态，各压电振子均处于自然状态，即不受外力作用、不产生形变。当框架1受外界任一方向振动时，中心质量块7的位置即发生变化，所产生的惯性作用力通过弹簧使得惯性块的位置发生改变，从而使压电振子产生弯曲变形，并将机械能转换成电能。而各个压电振子之间经导线相互连接并经过整流电路17后，最终连接储能装置12，将所有压电振子所产生的电能储存起来。
Claims (2)
1.一种压电式多方向振动能量采集装置，其特征在于：框架顶面通过螺钉安装有顶板、各侧面通过螺钉安装有侧板、底面通过螺钉安装于底座上；顶板内侧通过顶部缓冲弹簧连接有顶部惯性块、各侧板内侧通过周边缓冲弹簧连接有周边惯性块、底座通过底部缓冲弹簧连接有底部惯性块；顶部惯性块、周边惯性块、底部惯性块的四周分别固定有一组压电振子，并且顶部惯性块、周边惯性块、底部惯性块的内侧分别通过顶部弹簧、周边弹簧、底部弹簧连接有中心质量块；一组压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，每组压电振子通过导线并联起来，并联是指各金属基板之间经导线相互连接、各压电晶片之间经导线相互连接；底座上固定有整流电路和储能装置；整流电路经导线连接有压电振子和储能装置。
2.根据权利要求1所述的一种压电式多方向振动能量采集装置，其特征在于，框架为四面体但不限于四面体，每个侧面都安装有多组压电振子。
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