CN108448931A - 一种压电圆环式旋转能量收集装置 - Google Patents
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- H02N2/186—Vibration harvesters
Abstract
本发明公开了一种压电圆环式旋转能量收集装置，包括了转子(2)，转子(2)两端对称设置有滚子(3)，两个滚子(3)边缘之间的最大距离大于压电圈(A)的内直径，用于保证两个滚子(3)均能挤压压电圈(A)内侧面，从而使压电圈(A)发生弹性形变。本发明具有如下优点：减小了启动旋转式压电能量收集装置时的启动力矩，使旋转式压电能量收集装置能在较低的外界激励力矩下工作，简化了旋转式压电能量收集装置的机械结构，从而节约了生产制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集装置领域，具体涉及压电式能量收集装置。
背景技术
随着化石能源的枯竭，如何收集各种自然界的能量或人类活动的损耗能量成为热点问题。在人们所制造的机械设备中，旋转运动是最为常见的运动。而当人们需要收集自然界中的风能或者水能时，往往也是通过风和水带动旋转机械来实现能量收集。
在电磁式、压电式、电容式能量收集装置中，旋转式压电能量收集装置由于具有能量密度高的特点而被大量研究，但目前的旋转式压电能量收集装置的核心部件多为压电悬臂梁，压电悬臂梁利用被极化后的压电陶瓷的变形产生感应电压来达到收集能量的目的。目前的旋转式压电能量收集装置通常使用多片压电悬臂梁来保证能量收集装置的能量密度，但是增加了生产制造成本。当压电悬臂梁用于收集能量时，在较大的启动力矩作用后，通常要经历周期性的弯曲-恢复过程，如果一旦外界的激励力矩不足以使压电悬臂梁弯曲到设定位置时，就会导致能量收集装置就无法工作。
综上所述，如何用较小的启动力矩启动旋转式压电能量收集装置，如何在较低的外界激励力矩下使旋转式压电能量收集装置工作以及如何简化旋转式压电能量收集装置结构是需要进一步解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何用较小的启动力矩启动旋转式压电能量收集装置，如何在较低的外界激励力矩下使旋转式压电能量收集装置工作以及如何简化旋转式压电能量收集装置结构。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种压电圆环式旋转能量收集装置，包括转子，其特征在于，转子两端对称设置有滚子，两个滚子边缘之间的最大距离大于压电圈的内直径，用于保证两个滚子均能挤压压电圈内侧面，从而使压电圈发生弹性形变；
所述压电圈包括支撑层和第一压电层，第一压电层粘接在支撑层的内侧面；
或者，所述压电圈包括支撑层和第二压电层，第二压电层粘接在支撑层的外侧面；
或者，所述压电圈包括支撑层、第一压电层和第二压电层，第一压电层粘接在支撑层的内侧面，第二压电层粘接在支撑层的外侧面；
支撑层为刚度大、阻尼小的的圆环形物体，用于起到支撑压电圈和自身跟随压电圈变形的作用，同时需要作绝缘处理或者本身为绝缘材料，用于保证不干扰压电圈的能量收集；
第一压电层的主体结构为圆环形压电陶瓷，所述第一压电层的内侧面和外侧面均涂有导电的涂层，两侧面涂层均为不连续的一段以上的涂层，单段涂层的弧度小于π，两侧面的导电涂层在第一压电层圆周径向方向上具有重叠部分；
第二压电层的结构与第一压电层相同。
第一压电层内外两侧面的涂层中，外侧单段导电涂层和内侧单段导电涂层都与第一压电层同一圆心，外侧单段导电涂层和内侧单段导电涂层的弧长对应同一圆心角，导电涂层在压电圈中心轴方向的宽度和压电圈的宽度相同。
滚子为绝缘材料或作绝缘处理，用于防止滚子对压电圆环式旋转能量收集装置的电学性能产生干扰。
任一侧面的每段涂层弧长相同，而且相邻两段间的间距相同。
当压电圈包括支撑层和第一压电层时，第一压电层和支撑层的宽度b均为0.02m，支撑层的半径R0为0.05m，支撑层的厚度hp为0.2mm，第一压电层的厚度hs为0.265mm，支撑层的密度ρs为9000kg/m3，第一压电层的密度ρp为7500kg/m3，第一压电层的弹性模量c11为60.6GPa，支撑层的弹性模量E为105GPa，第一压电层的压电常数e31为-16.6C/m2，第一压电层的介电常数ε33为25.55nF/m；
当压电圈包括支撑层和第二压电层时，支撑层和第二压电层的宽度b均为0.02m，支撑层半径R0为0.05m，支撑层厚度hp为0.348mm，第二压电层的厚度hs为0.265mm，支撑层密度ρs为9000kg/m3，第二压电层的密度ρp为7500kg/m3，第二压电层的弹性模量c11为60.6GPa，支撑层的弹性模量E为105GPa，第二压电层的压电常数e31为-16.6C/m2，第二压电层的介电常数ε33为25.55nF/m；
当压电圈包括支撑层、第一压电层和第二压电层时，第一压电层、支撑层和第二压电层的宽度b均为0.02m，支撑层半径R0为0.05m，支撑层厚度hp为0.14mm，第一压电层和第二压电层厚度hs均为0.265mm，支撑层密度ρs为9000kg/m3，第一压电层和第二压电层密度ρp均为7500kg/m3，第一压电层和第二压电层的弹性模量c11均为60.6GPa，支撑层的弹性模量E为105GPa，第一压电层和第二压电层的压电常数e31均为-16.6C/m2，第一压电层和第二压电层的介电常数ε33均为25.55nF/m。
本发明具有如下优点：减小了启动旋转式压电能量收集装置时的启动力矩，使旋转式压电能量收集装置能在较低的外界激励力矩下工作，简化了旋转式压电能量收集装置的机械结构，从而节约了生产制造成本。
附图说明
图1是压电圆环式旋转能量收集装置的轴测剖视图；
图2是第一压电层5的导电涂层结构示意图(隐去第一压电层5)；
图3是负载电阻为10KΩ，压电层在支撑层4内侧时，压力与平均功率的关系图；
图4是压力为1N，压电层在支撑层4内侧时,转子2的转速与输出功率的关系图；
图5是转子2转速为250rad/s，压电层在支撑层4内侧时，负载电阻与电流以及电压有效值的关系图；
图6是转子2不同转速，压电层在支撑层4内侧时，最优电阻曲线图；
图7是负载电阻为10KΩ，压电层在支撑层4外侧时，压力与平均功率的关系图；
图8是压力为1N，压电层在支撑层4外侧时,转子2的转速与输出功率的关系图；
图9是转子2转速为250rad/s，压电层在支撑层4外侧时，负载电阻与电流以及电压有效值的关系图；
图10是转子2不同转速，压电层在支撑层4外侧时，最优电阻曲线图；
图11是负载电阻为10KΩ，压电层在支撑层4内外两侧同时设置时，压力与平均功率的关系图；
图12是压力为1N，压电层在支撑层4内外两侧同时设置时,转子2的转速与输出功率的关系图；
图13是转子2转速为250rad/s，压电层在支撑层4内外两侧同时设置时，负载电阻与电流以及电压有效值的关系图；
图14是转子2不同转速，压电层在支撑层4内外两侧同时设置时，最优电阻曲线图；
图15是压电圆环式旋转能量收集装置不同压力情况下启动力矩对应的摩擦力矩；
图16是转臂式俘能器结构示意图。
其中，压电圈(A) 圆心角(a) 转子(2) 滚子(3) 支撑层(4)第一压电层(5) 第二压电层(6) 内侧导电涂层(7) 外侧导电涂层(8) 外侧单段导电涂层(9) 内侧单段导电涂层(10) 转臂(11)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一
参考图1所示，一种压电圆环式旋转能量收集装置，包括了压电圈A、转子2和滚子3。
压电圈A包括支撑层4、第一压电层5，第一压电层5粘接在支撑层4的内侧面。
所述支撑层4为刚度大、阻尼小的的圆环形物体，用于起到支撑压电圈A其他组件和自身驱动压电圈A其他组件变形的作用，同时需要作绝缘处理或者本身为绝缘材料，用于保证不干扰第一压电层5的能量收集，支撑层4优选为金属材质。
所述第一压电层5的主体结构为圆环形压电陶瓷，第一压电层5的内侧面和外侧面分别涂有内侧导电涂层7和外侧导电涂层8。两侧面涂层均为不连续的两段的涂层，每一段涂层的弧度小于π，每一段涂层的弧长相同，间距相同，并且外侧单段导电涂层9和内侧单段导电涂层10都与第一压电层5同一圆心，外侧单段导电涂层9和内侧单段导电涂层10的弧长对应同一圆心角a，涂层在第一压电层5圆环中心轴方向的宽度和第一压电层5中心轴方向的宽度相同。
转子2的长度与压电圈A的内直径相匹配，两端对称设置有滚子3，两个滚子3边缘之间的最大距离比压电圈A的内直径大，最大距离的具体数值根据能量收集装置的实际需求来确定，使两个滚子3均能挤压在压电圈A内侧面，从而使压电圈A发生弹性形变并且不影响压电圈A正常工作。为了防止滚子3对压电圆环式旋转能量收集装置的电学性能产生干扰，所述滚子3须为绝缘材料或作绝缘处理，比如采用尼龙轴承或者在滚子3表面涂上绝缘层。
当转子2静止时，压电圈A会受到滚子3的挤压发生弹性形变。当转子2受到外界力矩作用发生转动时，压电圈A上的第一压电层5受到转子2上滚子3带来的周期性载荷作用而发生周期性的弯曲变形，从而使第一压电层5两侧面产生感应电压，达到收集能量的目的。
由于当转子2静止时，该装置处于随遇平衡的状态，因此使用轻微的启动力矩就可以使转子2相对压电圈A发生转动。有别于传统的旋转式压电能量收集装置，本装置在转子2两端设置了滚子3，使启动时所需要克服的摩擦为滚动摩擦，进一步降低了启动力矩，也使装置能在较低的外界激励力矩下工作，同时降低了对装置的损耗，延长了使用寿命，从而节约生产制造成本。该装置在机械结构上也有很大的简化，通过转子2与压电圈A的柔性挤压，使整个装置更加轻便。
下面结合一个算例说明本发明装置的性能
表1
表1给出了本发明实施例一的相关参数。其中b为第一压电层5和支撑层4的宽度，R0为支撑层4的半径。hp为支撑层4的厚度，hs为第一压电层5的厚度。ρs为支撑层4的密度，ρp为第一压电层5的密度。c11为第一压电层5的弹性模量，E为支撑层4的弹性模量。e31为第一压电层5的压电常数，ε33为第一压电层5的介电常数。
第一压电层5材料为PZT-5A，该能量收集装置使用内单层压电层结构，导电涂层为平均分布的两段。
如图3所示，当负载电阻为10KΩ，转子2转速分别为250rad/s、300rad/s和350rad/s时，随着滚子3对第一压电层5的压力从0.01N增大到10N，该能量收集装置的输出功率都呈现线性增长。但是由于PZT5-A为脆性材料，应该保证实际的压力不会使其发生断裂。
如图4所示，压力为1N，负载电阻分别为1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ和10MΩ时，所述压力是指两个滚子3挤压压电圈A内侧面的力，转子2的转速为100rad/s到200rad/s时，能量收集装置的平均功率呈指数增长，转子2的转速为200rad/s到300rad/s时，能量收集装置的平均功率呈先减后增趋势，转子2的转速为大于300rad/s时，能量收集装置的平均功率呈先减少后平稳趋势，其中在转子2的转速在200rad/s至250rad/s和300rad/s至350rad/s区间时，能量收集装置的平均功率达到峰值，在200rad/s至250rad/s区间的峰值更高。即转子2的转速与第一压电层5和支撑层4的频率一致时，该能量收集装置的输出功率分别达到峰值，与传统的压电能量收集装置结果一致。
如图5所示，在转子2的转速为250rad/s的状态下，当负载电阻从0Ω到104Ω时，该能量收集装置电压保持恒定，电流为呈线性增长；当负载电阻从104Ω到1010Ω时，该能量收集装置电压呈线性减少，电流保持恒定。当负载电阻为0Ω时，能量收集装置趋近于短路状态。当负载电阻为1010Ω时，该能量收集装置趋近于断路状态。因此对于每一个转速，都有一个使能量收集装置输出功率最大的最优电阻值，如图6所示，转子2转速为250rad/s、300rad/s、350rad/s和400rad/s时分别对应不同的最优负载电阻值，最优负载电阻值整体呈先减后增趋势。
实施例二
基于实施例一，区别在于，压电圈A的结构有所不同，压电圈A包括支撑层4和第二压电层6，第二压电层6粘接在支撑层4的外侧面，第二压电层6结构与第一压电层5相同。
通过转子2挤压支撑层4从而带动其外侧的第二压电层6产生形变。这样减缓了第二压电层6的直接磨损，节约了生产制造成本。
下面结合一个算例说明本发明装置的性能
表2
根据表2给出的本发明装置的相关参数。第二压电层6材料为PZT-5A，该能量收集装置使用外单层压电层结构，导电涂层为平均分布的两段。
如图7所示，当负载电阻为10KΩ，转子2转速分别为250rad/s、300rad/s和350rad/s时，随着滚子3对第二压电层6的压力从0.01N增大到10N，该能量收集装置的输出功率都呈现线性增长。但是由于PZT5-A为脆性材料，应该保证实际的压力不会使其发生断裂。
如图8所示，压力为1N，负载电阻分别为1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ和10MΩ时，转子2的转速为100rad/s到300rad/s时，能量收集装置的平均功率呈指数增长，转子2的转速为300rad/s到450rad/s时，能量收集装置的平均功率呈先减后增趋势，转子2的转速为大于450rad/s时，能量收集装置的平均功率呈减少趋势，其中在转子2的转速在250rad/s至300rad/s和400rad/s至450rad/s区间时，能量收集装置的平均功率达到峰值，在250rad/s至300rad/s区间的峰值更高。即转子2的转速与第二压电层6和支撑层4的频率一致时，该能量收集装置的输出功率分别达到峰值，与传统的压电能量收集装置结果一致。
如图9所示，在转子2的转速为250rad/s的状态下，当负载电阻从0Ω到104Ω时，该能量收集装置电压保持恒定，电流为呈线性增长；当负载电阻从104Ω到1010Ω时，该能量收集装置电压呈线性减少，电流保持恒定。当负载电阻为0Ω时，能量收集装置趋近于短路状态。当负载电阻为1010Ω时，该能量收集装置趋近于断路状态。因此对于每一个转速，都有一个使能量收集装置输出功率最大的最优电阻值，如图10所示，转子2转速为250rad/s、300rad/s、350rad/s和400rad/s时分别对应不同的最优负载电阻值，最优负载电阻值整体呈减少趋势。
实施例三
基于实施例二，区别在于，压电圈A还包括第一压电层5，第二压电层6结构与第一压电层5相同，第一压电层5粘接在支撑层4的内侧面。
通过转子2挤压支撑层4从而同时带动其内外侧的第一压电层5和第二压电层6产生形变，在支撑层4的内侧面粘接第一压电层5。这样能够充分利用能量，提高能量的收集效率。
下面结合一个算例说明本发明装置的性能
表3
根据表3给出的本发明装置的相关参数。第一压电层5和第二压电层6材料为PZT-5A，该能量收集装置使用双层压电层结构，第一压电层5和第二压电层6结构相同，导电涂层为平均分布的两段。导电涂层之间串联后再连接负载电阻。
如图11所示，当负载电阻为10KΩ，转子2转速为250rad/s、300rad/s和350rad/s时，随着滚子3对第一压电层5和第二压电层6的压力从0.01N增大到10N，该能量收集装置的输出功率都呈现线性增长。但是由于PZT5-A为脆性材料，应该保证实际的压力不会使其发生断裂。
如图12所示，压力为1N，负载电阻分别为1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ和10MΩ时，转子2的转速为100rad/s到250rad/s时，能量收集装置的平均功率呈指数增长，转子2的转速为250rad/s到400rad/s时，能量收集装置的平均功率呈先减后增趋势，转子2的转速为大于400rad/s时，能量收集装置的平均功率呈先减少后平稳趋势，其中在转子2的转速在250rad/s至300rad/s和350rad/s至400rad/s区间时，能量收集装置的平均功率达到峰值，在250rad/s至300rad/s区间的峰值更高。即转子2的转速与第一压电层5、第二压电层6和支撑层4的频率一致时，该能量收集装置的输出功率分别达到峰值，与传统的压电能量收集装置结果一致。
如图13所示，在转子2的转速为250rad/s的状态下，当负载电阻从0Ω到104Ω时，该能量收集装置电压保持恒定，电流为呈线性增长；当负载电阻从104Ω到1010Ω时，该能量收集装置电压呈线性减少，电流保持恒定。当负载电阻为0Ω时，能量收集装置趋近于短路状态。当负载电阻为1010Ω时，该能量收集装置趋近于断路状态。因此对于每一个转速，都有一个使能量收集装置输出功率最大的最优电阻值，如图14所示，转子2转速为250rad/s、300rad/s、350rad/s和400rad/s时分别对应不同的最优负载电阻值，整体呈先减后增趋势。
相较于实施例一和二，由于有两层压电层，本实施例的能量收集装置所需启动力矩更大，因此以此例与已有的转臂式俘能器作启动力矩对比。如图15所示，压电圆环式旋转能量收集装置的启动力矩等于该装置启动的摩擦力矩，当该装置的转子2长度为0.1m，滚子3为外径为15mm的深沟球轴承，压力为1N时，该装置的启动力矩为0.000025N·m。
如图16所示的转臂式俘能器，通过旋转转臂11产生振动实现能量收集的常规能量收集装置，因为转子2的长度对应的是压电圈A的直径，转臂11的长度对应的是半径，为了保证同等条件，转臂11的长度为0.05m，转臂11的横截面与转子2的横截面相同，材质相同，此时转臂式俘能器的最低启动力矩就是克服自身重力，至少为0.0013N·m。
由此可见，压电圆环式旋转能量收集装置的启动力矩远小于转臂式俘能器的启动力矩，使压电圆环式旋转能量收集装置能在较低的外界激励力矩下工作。
综上所述，当转子2静止时，压电圆环式旋转能量收集装置处于随遇平衡的状态，启动时不需要如转臂式俘能器启动时克服转臂11自身重力，使用轻微的启动力矩就可以使转子2相对压电圈A发生转动。同时该装置在转子2两端设置了滚子3，使启动时所需要克服的摩擦为滚动摩擦，进一步降低了启动力矩，也使装置能在较低的外界激励力矩下工作，同时降低了对装置的损耗，延长了使用寿命，从而节约生产制造成本。该装置在机械结构上也有很大的简化，通过转子2与压电圈A的柔性挤压，使整个装置更加轻便。
本发明以上通过由附图所示实施例的具体实施方式，是对本发明的上述内容作出的进一步详细说明，但不应将此理解为本发明上述的主题的范围仅限于所描述的实例。
Claims (5)
1.一种压电圆环式旋转能量收集装置，包括转子(2)，其特征在于，转子(2)两端对称设置有滚子(3)，两个滚子(3)边缘之间的最大距离大于压电圈(A)的内直径，用于保证两个滚子(3)均能挤压压电圈(A)内侧面，从而使压电圈(A)发生弹性形变；
所述压电圈(A)包括支撑层(4)和第一压电层(5)，第一压电层(5)粘接在支撑层(4)的内侧面；
或者，所述压电圈(A)包括支撑层(4)和第二压电层(6)，第二压电层(6)粘接在支撑层(4)的外侧面；
或者，所述压电圈(A)包括支撑层(4)、第一压电层(5)和第二压电层(6)，第一压电层(5)粘接在支撑层(4)的内侧面，第二压电层(6)粘接在支撑层(4)的外侧面；
支撑层(4)为刚度大、阻尼小的的圆环形物体，用于起到支撑压电圈(A)和自身跟随压电圈(A)变形的作用，同时需要作绝缘处理或者本身为绝缘材料，用于保证不干扰压电圈(A)的能量收集；
第一压电层(5)的主体结构为圆环形压电陶瓷，所述第一压电层(5)的内侧面和外侧面均涂有导电的涂层，两侧面涂层均为不连续的一段以上的涂层，单段涂层的弧度小于π，两侧面的导电涂层在第一压电层(5)圆周径向方向上具有重叠部分；
第二压电层(6)的结构与第一压电层(5)相同。
2.根据权利要求1所述的一种压电圆环式旋转能量收集装置，其特征在于，第一压电层(5)内外两侧面的涂层中，外侧单段导电涂层(9)和内侧单段导电涂层(10)都与第一压电层(5)同一圆心，外侧单段导电涂层(9)和内侧单段导电涂层(10)的弧长对应同一圆心角(a)，导电涂层在压电圈(A)中心轴方向的宽度和压电圈(A)的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种压电圆环式旋转能量收集装置，其特征在于，滚子(3)为绝缘材料或作绝缘处理，用于防止滚子(3)对压电圆环式旋转能量收集装置的电学性能产生干扰。
4.根据权利要求1所述的一种压电圆环式旋转能量收集装置，其特征在于，任一侧面的每段涂层弧长相同，而且相邻两段间的间距相同。
5.根据权利要求1所述的压电圆环式旋转能量收集装置，其特征在于，当压电圈(A)包括支撑层(4)和第一压电层(5)时，第一压电层(5)和支撑层(4)的宽度b均为0.02m，支撑层(4)的半径R0为0.05m，支撑层(4)的厚度hp为0.2mm，第一压电层(5)的厚度hs为0.265mm，支撑层(4)的密度ρs为9000kg/m3，第一压电层(5)的密度ρp为7500kg/m3，第一压电层(5)的弹性模量c11为60.6GPa，支撑层(4)的弹性模量E为105GPa，第一压电层(5)的压电常数e31为-16.6C/m2，第一压电层(5)的介电常数ε33为25.55nF/m；当压电圈(A)包括支撑层(4)和第二压电层(6)时，支撑层(4)和第二压电层(6)的宽度b均为0.02m，支撑层(4)半径R0为0.05m，支撑层(4)厚度hp为0.348mm，第二压电层(6)的厚度hs为0.265mm，支撑层(4)密度ρs为9000kg/m3，第二压电层(6)的密度ρp为7500kg/m3，第二压电层(6)的弹性模量c11为60.6GPa，支撑层(4)的弹性模量E为105GPa，第二压电层(6)的压电常数e31为-16.6C/m2，第二压电层(6)的介电常数ε33为25.55nF/m；
当压电圈(A)包括支撑层(4)、第一压电层(5)和第二压电层(6)时，第一压电层(5)、支撑层(4)和第二压电层(6)的宽度b均为0.02m，支撑层(4)半径R0为0.05m，支撑层(4)厚度hp为0.14mm，第一压电层(5)和第二压电层(6)厚度hs均为0.265mm，支撑层(4)密度ρs为9000kg/m3，第一压电层(5)和第二压电层(6)密度ρp均为7500kg/m3，第一压电层(5)和第二压电层(6)的弹性模量c11均为60.6GPa，支撑层(4)的弹性模量E为105GPa，第一压电层(5)和第二压电层(6)的压电常数e31均为-16.6C/m2，第一压电层(5)和第二压电层(6)的介电常数ε33均为25.55nF/m。
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