CN108390589B - 一种叉指型圆弧压电式能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种叉指型圆弧压电式能量收集器，该能量收集器包括主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁，主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁构成一U字形结构，第一副悬臂梁和第二副悬臂梁相互对称设置，第一副悬臂梁和第二副悬臂梁设置有至少两对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对之间间隙交叉设置；第一副悬臂梁和第二副悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定连接；每对所述悬臂梁对均由圆弧型薄片与正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧型薄片上附着设置有压电层，每个所述正方形薄片上附着设置有质量块。该叉指型圆弧压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，能够多方向收集能量，不仅可以吸收顶面能量，还可以吸收侧面的能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种叉指型圆弧压电式能量收集器，属于能量收集技术领域。
背景技术
压电能量收集器基于压电材料的压电效应，在环境振动的激励下，器件中的压电层产生应变，在表面产生极化电荷，从而将环境振动的机械能转换成所需要的电能。目前常用的压电式能量收集器通常为直型结构，在该结构下虽然可以起到能量收集的作用，但是实验表明可收集的能量频率范围较小，输出电势较低。除此之外，直型结构的压电能量收集器还有稳定性低、空间利用率少等一系列缺陷。
传统的单圆弧压电式能量收集器通过将悬臂梁设计为一定弧形，在特定的弧度下输出高电势，不仅可以吸收顶面的振动能量，还可以吸收侧面方向的振动能量。传统的高性能圆弧型压电能量收集器（中国专利公开号：201711361801.0）通过将悬臂梁设计为一定弧形，在特定的弧度下输出高电势，可以吸收顶面、侧面方向的振动能量，虽然在一定弧度下可以将载荷转化为电能输出，但是在一定的外加载荷下，它的输出电势明显较小，能量和空间利用率较低，且结构不对称容易引起稳定性问题，同时也具有多阶频率低、频率间距较大等的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种叉指型圆弧压电式能量收集器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种叉指型圆弧压电式能量收集器，包括主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁，所述主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁构成一U字形结构，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁相互对称设置，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁设置有至少两对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对之间间隙交叉设置。
优选地，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定连接。
优选地，每对所述悬臂梁对均由圆弧型薄片与正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧型薄片上附着设置有压电层，每个所述正方形薄片上附着设置有质量块。
优选地，第一对所述悬臂梁对包括第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片、第一正方形薄片和第二正方形薄片，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第一正方形薄片和第二正方形薄片均附着设置有质量块。
优选地，第二对所述悬臂梁对包括第三圆弧型薄片、第四圆弧型薄片、第三正方形薄片和第四正方形薄片，所述第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第三正方形薄片和第四正方形薄片均附着设置有质量块。
优选地，所述主悬臂梁长度为35mm，所述副悬梁臂长度为107mm，宽度为5mm。
优选地，所述圆弧形薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，圆弧度为90度。
优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，所述压电层为PZT-5H。
优选地，所述压电层的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
优选地，所述质量块采用镍材料制成，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。
本发明技术方案的优点主要体现在：该叉指型圆弧压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，其有效工作频带带宽大幅度提高，一阶谐振频率较低，多阶带宽较短，因此，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。该叉指型圆弧压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，在单位频带内输出电压较高，即在相同的电压输出需求下，能提供更宽的工作频带。该叉指型圆弧压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，能够多方向收集能量，不仅可以吸收顶面能量，还可以吸收侧面的能量。
相较于高性能圆弧型压电能量收集器，本发明提供的叉指型圆弧压电能量收集器，一阶谐振频率较低，多阶带宽较短，输出功率较高，单位频带内输出电压较高，且具有易于集成化、微型化等优点。
附图说明
图1为本发明的一种叉指型圆弧压电能量收集器的结构示意图。
图2为本发明叉指型圆弧压电能量收集器的俯视图。
图3为高性能圆弧型压电能量收集器的结构示意图。
图4为高性能圆弧型压电能量收集器的电压与频率关系图。
图5为本发明叉指型圆弧压电能量收集器的电压与频率关系图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种叉指型圆弧压电式能量收集器，如图1和图2所示，一种叉指型圆弧压电式能量收集器，包括主悬臂梁1、第一副悬臂梁2和第二副悬臂梁3，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定连接，即主悬臂梁固定着两个副悬臂梁。所述主悬臂梁1、第一副悬臂梁2和第二副悬臂梁3构成一U字形结构。所述第一副悬臂梁2和第二副悬臂梁3相互对称设置，所述第一副悬臂梁2和第二副悬臂梁3设置有至少两对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对之间间隙交叉设置。
每对所述悬臂梁对均由圆弧型薄片与正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧型薄片上附着设置有压电层6，每个所述正方形薄片上附着设置有质量块7。
具体地，第一对所述悬臂梁对4包括第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片41、第一正方形薄片42和第二正方形薄片，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间间隙交叉设置，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第一正方形薄片和第二正方形薄片均附着设置有质量块。
第二对所述悬臂梁对5包括第三圆弧型薄片、第四圆弧型薄片51、第三正方形薄片52和第四正方形薄片，所述第三圆弧型薄片与第四圆弧型薄片之间间隙交叉设置，所述第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第三正方形薄片和第四正方形薄片均附着设置有质量块。
所述主悬臂梁长度L1为35mm，宽度W1=5mm；所述副悬梁臂长度为107mm，宽度为5mm。所述圆弧形薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，圆弧度为90度。所述正方形薄片的长宽分别为LM=10mm、WM=10mm，基层的厚度HS=0.5mm。
该结构的梁基板采用延展性较好的磷青铜材料，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，所述压电层为PZT-5H。所述压电层的内径Ra为20mm、外径Rb为30mm，厚度hp为0.3mm，圆弧度为90度，90度弧度的圆弧型压电层附着于90度弧度的圆弧型薄片上。
所述质量块采用镍材料制成，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm，质量块附着于正方形薄片上；当激励作用于质量块时，使得圆弧形压电层产生形变，进而产生电势。采用圆弧型结构不仅可以接受顶面的振动能量，还可以接受侧面的振动能量，且采用叉指结构，提高了输出的功率，以及扩大了工作带宽。
高性能圆弧型压电式能量收集器的结构示意图如图3所示，为了更好地体现该结构相比于高性能圆弧型压电能量收集器的优势，分别做出输出电压与多阶谐振频率关系图。高性能圆弧压电能量收集器的关系图如图4所示，图4中纵坐标表示电压，横坐标表示频率，从图中可以直观看出一阶谐振频率为72Hz，此时输出的电压为0.65V。可见，圆弧形压电能量收集器具有优势电势。
对于叉指型圆弧压电能量收集器的电压与频率之间的关系图如图5所示，图中横坐标表示频率，纵坐标表示电压，从图5中可以看出，器件前五阶谐振频率间距非常小，均在50Hz以下，而高性能圆弧形压电能量收集器一阶谐振频率为72Hz，最容易实现工作频带的串联。可见，相比于高性能圆弧形压电能量收集器，叉指型圆弧能量收集器具有一阶频率低，多阶带宽短，输出功率高等优点。
综上所述本发明的能量收集器采用了一定弧度的圆弧型结构设计且采用了叉指结构。当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器产生更高的电势。该叉指型圆弧能量收集器除了可以吸收顶面的振动能量外，还可以吸收侧面的振动能量，提高了能量吸收效率，研究价值较高。
相较于高性能圆弧型压电能量收集器，本技术方案的叉指型圆弧压电能量收集器，一阶谐振频率较低，多阶带宽较短，输出功率较高，单位频带内输出电压较高，且具有易于集成化、微型化等优点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于：包括主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁，所述主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁构成一U字形结构，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定连接；所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁相互对称设置，所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁设置有至少两对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对之间间隙交叉设置；
所述第一副悬臂梁和第二副悬臂梁设置有两对悬臂梁对，第一对悬臂梁对和第二对悬臂梁对，第一对悬臂梁对包括第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片、第一正方形薄片和第二正方形薄片，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间间隙交叉设置，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第一正方形薄片和第二正方形薄片均附着设置有质量块；第二对悬臂梁对包括第三圆弧型薄片、第四圆弧型薄片、第三正方形薄片和第四正方形薄片，所述第三圆弧型薄片与第四圆弧型薄片之间间隙交叉设置，所述第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片上附着设置有压电层，所述第三正方形薄片和第四正方形薄片均附着设置有质量块。
2.根据权利要求1所述的一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于：所述主悬臂梁长度为35mm，所述副悬臂梁长度为107mm，宽度为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于： 所述圆弧型薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，圆弧度为90度。
4.根据权利要求1所述的一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，所述压电层为PZT-5H。
5.根据权利要求1所述的一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于：所述压电层的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
6.根据权利要求1所述的一种叉指型圆弧压电式能量收集器，其特征在于：所述质量块采用镍材料制成，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。
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