CN108448940A - 一种交联圆弧型压电式能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种交联圆弧型压电式能量收集器，该压电式能量收集器包括至少三对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对均由两个相互对称的悬臂梁连接而成，每个所述悬臂梁均由圆弧型薄片和正方形薄片连接而成，每个所述圆弧形薄片上附着有一压电层。第一悬臂梁对与第二悬臂梁对之间设置有第一正方形薄片，第二悬臂梁对与第三悬臂梁对之间设置有第二正方形薄片。第一正方形薄片上附着设置有第一质量块，第二正方形薄片上附着设置有第二质量块。该交联圆弧型压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，其一阶谐振频率更低，有效工作频带带宽大幅度提高，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种交联圆弧型压电式能量收集器，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)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。
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，提出一种交联圆弧型压电式能量收集器，该压电式能量收集器具有高稳定性、高输出电压、频率范围低等优点。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种交联圆弧型压电式能量收集器，包括至少三对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对均由两个相互对称的悬臂梁连接而成，每个所述悬臂梁均由圆弧型薄片和正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧形薄片上附着有一压电层。
优选地，所述第一悬臂梁对与第二悬臂梁对之间设置有第一正方形薄片，第二悬臂梁对与第三悬臂梁对之间设置有第二正方形薄片。
优选地，所述第一正方形薄片上附着设置有第一质量块，所述第二正方形薄片上附着设置有第二质量块。
优选地，所述第一悬臂梁对包括第一对圆弧型薄片和第一正方形薄片，所述第二悬臂梁对包括第二对圆弧型薄片和第二正方形薄片，所述第三悬臂梁对包括第三对圆弧型薄片和第三正方形薄片。
优选地，所述第一对圆弧型薄片的右端连接第一正方形薄片，左端为固定端；所述第二对圆弧型薄片的右端连接第二正方形薄片，左端通过第一正方形薄片连接至第一对圆弧型薄片的右端；所述第三对圆弧型薄片的左端通过第二正方形薄片连接至第二对圆弧型薄片的右端。
优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
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，所述压电层为PZT-5H。
优选地，所述压电层的内外径分别为20mm、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：该交联圆弧型压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，其一阶谐振频率更低，可大幅度提高有效工作频带带宽，多阶带宽较短，因此，在实际工作过程中，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。
该交联圆弧型压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，由多对悬臂梁对组成，且每对悬臂梁对应着两片压电层，有效地提高了空间利用率，进而提高了本技术方案作为压电集成芯片的集成单元小模块的集成度，且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。
该交联圆弧型压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，由两片完全对称的悬臂梁及附着在其上面的压电层组成，具有较高的稳定性。该交联圆弧型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。
附图说明
图1为本发明的一种交联网圆弧型压电能量收集器的结构示意图。
图2是双轨圆弧型压电能量收集器的结构示意图。
图3是双轨圆弧型压电能量收集器的电压与频率关系图
图4为本发明的一种交联圆弧型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。
本发明揭示了一种交联圆弧型压电式能量收集器，如图1所示，该压电式能量收集器包括至少三对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对均由两个相互对称的悬臂梁连接而成，每个所述悬臂梁均由圆弧型薄片和正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧形薄片上附着有一压电层，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；所述压电层为PZT-5H，所述压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为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。
如图1所示，所述第一悬臂梁对1与第二悬臂梁对2之间设置有第一正方形薄片11，第二悬臂梁对2与第三悬臂梁对3之间设置有第二正方形薄片21，所述第一正方形薄片11上附着设置有第一质量块111，所述第二正方形薄片21上附着设置有第二质量块211。
所述第一悬臂梁对1包括第一对圆弧型薄片10和第一正方形薄片11，所述第一对圆弧型薄片10上附着设置有第一压电层100，所述第一对圆弧型薄片10的左端为固定端400，所述第二悬臂梁对2包括第二对圆弧型薄片20和第二正方形薄片21，所述第二对圆弧型薄片20上附着设置有第二压电层200。所述第三悬臂梁对3包括第三对圆弧型薄片30和第三正方形薄片，所述第三对圆弧型薄片30上附着设置有第三压电层300。所述第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片、第三圆弧型薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，所述第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片、第三圆弧型薄片的圆弧度均为90度。
所述第一对圆弧型薄片的右端连接第一正方形薄片4，左端为固定端；所述第二对圆弧型薄片的右端连接第二正方形薄片5，左端通过第一正方形薄片连接至第一对圆弧型薄片的右端；所述第三对圆弧型薄片的左端通过第二正方形薄片连接至第二对圆弧型薄片的右端。所述第一正方形薄片和第二正方形薄片的长Lm、宽Wm分别为10mm、10mm。
所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，所述第一压电层、第二压电层和第三压电层均为 PZT-5H，所述第一压电层、第二压电层和第三压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。所述质量块采用镍材料制成，所述质量块的长Lm、宽Wm、高Hm分别为10mm、10mm、10mm，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，且采用多对对称的悬臂梁对，提高了输出的电压，以及扩大了工作带宽。
双轨型圆弧压电式能量收集器的结构示意图如图2所示，可见，交联圆弧型压电能量收集器是在交联圆弧型压电式能量收集器基础上的进一步优化，稳定性更高，通过增加多个悬臂梁对增加接受振动能量的面积。双轨圆弧型压电能量收集器的电压与频率关系如图3所示，图3为双轨圆弧型压电式能量收集器输出电压与谐振频率关系图，图3横坐标表示频率，纵坐标表示电压，双轨圆弧型压电能量收集器一阶谐振频率为98Hz，此时输出的电压为 0.98V。
交联圆弧型压电能量收集器的电压与频率关系如图4所示，图4为交联圆弧型压电式能量收集器输出电压与谐振频率关系图，图4横坐标表示频率，纵坐标表示电压，可以发现一阶谐振频率为22Hz，此时输出的电压为0.83V。可见，交联圆弧型压电能量收集器具有优势电势，一阶谐振频率较低。双轨圆弧型结构与交联圆弧型结构的对比数据如表1所示：
表1交联与双轨圆弧型压电能量收集器参数对比
从表1可以看出交联圆弧型能量收集器的一阶谐振频率更低，频率间距更窄。综上所述本发明的能量收集器采用了多对具有一定弧度的圆弧型结构设计且采用了对称的结构。当激励作用于质量块时，特定弧度的交联圆弧型压电能量收集器将产生更高的电势。该交联圆弧型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。
该交联圆弧型压电能量收集器，不仅保留了双轨型圆弧压电能量收集器输出高电势、高稳定性的优点，而且其一阶谐振频率更低，克服了多阶频率高，频率间距大的缺陷。
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 (10)
1.一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：包括至少三对悬臂梁对，每对所述悬臂梁对均由两个相互对称的悬臂梁连接而成，每个所述悬臂梁均由圆弧型薄片和正方形薄片对称连接而成，每个所述圆弧形薄片上附着有一压电层。
2.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一悬臂梁对与第二悬臂梁对之间设置有第一正方形薄片，第二悬臂梁对与第三悬臂梁对之间设置有第二正方形薄片。
3.根据权利要求2所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一正方形薄片上附着设置有第一质量块，所述第二正方形薄片上附着设置有第二质量块。
4.根据权利要求2所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一悬臂梁对包括第一对圆弧型薄片和第一正方形薄片，所述第二悬臂梁对包括第二对圆弧型薄片和第二正方形薄片，所述第三悬臂梁对包括第三对圆弧型薄片和第三正方形薄片。
5.根据权利要求2或4所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一对圆弧型薄片的右端连接第一正方形薄片，左端为固定端；所述第二对圆弧型薄片的右端连接第二正方形薄片，左端通过第一正方形薄片连接至第一对圆弧型薄片的右端；所述第三对圆弧型薄片的左端通过第二正方形薄片连接至第二对圆弧型薄片的右端。
6.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于： 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。
8.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述压电层为PZT-5H。
9.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
10.根据权利要求1所述的一种交联圆弧型压电式能量收集器，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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