CN109067240B - 一种带空腔的梁式压电集能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带空腔的梁式压电集能器，包括主体梁构件和设于主体梁构件两端的质量块，所述主体梁构件上对称设有一对用于与外部构件铰接的铰接孔洞，所述铰接孔洞之间的主体梁构件中间开有一空腔，所述主体梁构件在空腔处的上下表面设置压电元件。与现有技术相比，本发明在主体梁构件上开一定的空腔，能够产生更大的变形，增加了梁中间段的应变值进而增加了压电元件产生的电压值，同时中间段为等应变段，产生电能的效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量采集领域，具体涉及一种带空腔的梁式压电集能器。
背景技术
能源和环境是21世纪人类所关注的最重要的两大主题。随着经济的发展，煤、石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少。因此从环境中回收利用能量是未来的一个发展趋势，而压电型集能器就能实现这种功能，它是利用压电材料的正压电效应，收集环境中的各种振动能并将其转换为电能。压电型集能器是通过一定的结构形式将环境振动耦合到压电元件，利用环境振动诱导该压电元件的结构变形，引起该压电元件内部的正负电荷中心分离，从而产生极化电压，以此通过该压电元件的正压电效应，实现了振动能到电能的转换。压电型能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、结构简单、体积小、易于满足集成化要求、无需外加偏置等特点，并且不产生噪声，不受电磁干扰，所以压电型能量收集器受到了越来越多的关注。
使用压电转换器器从机械振动中采集能量的方法在现如今是很多调查研究的关注点。能量采集的应用包括无线传感器，便携式电子设备，植入的生物医学设备，电池充电或置换操作，微机电系统，健康监测等。最近几年，研究人员已经在尝试通过结构简化，结构调整，附加额外质量等方法从压电集能器中更加有效地采集能量。
中国专利CN107294424A公开了一种等强度梁式压电振动能量收集器，由基座、等强度压电层合梁与质量块构成，该振动能量收集器的压电悬臂梁采用等强度压电层合梁设计，等强度压电层合梁的抗弯截面系数随着弯矩的变化而变化，在弯矩较大处采用较大截面，在弯矩较小处采用较小截面，等强度压电层合梁的各截面的最大正应力都相等，且都等于压电材料的许用应力，但该专利的形变比较小，产生电能的效率比较低，同时，在该专利中，为了实现等强度截面，悬臂梁截面越靠近固定端越大，从而使得构件所占用的体积较大。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种带空腔的梁式压电集能器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种带空腔的梁式压电集能器，包括主体梁构件和设于主体梁构件两端的质量块，所述主体梁构件上对称设有一对用于与外部构件铰接的铰接孔洞，所述铰接孔洞之间的主体梁构件中间开有一空腔，所述主体梁构件在空腔处的上下表面设置压电元件。
进一步地，所述主体梁构件为截面为长方形的金属杆件。
进一步地，所述空腔沿所述主体梁构件的轴向设置，所述空腔的长度为主体梁构件长度的四分之一到二分之一，空腔的厚度为主体梁构件厚度的三分之一到二分之一。
进一步地，所述空腔的长度为主体梁构件长度的三分之一，空腔的厚度为主体梁构件厚度的二分之一。
进一步地，所述压电元件采用锆钛酸铅压电陶瓷、压电聚合物或定向压电陶瓷等压电材料，在垂直方向上极化，并在表面镀有电极。
进一步地，所述压电元件通过粘接胶层粘接在主体梁构件的外表面。
进一步地，所述质量块的质量根据所需的固有频率设置，固有频率具体计算公式为：
一阶固有频率：
二阶固有频率：
其中：l2为中间空腔段的长度，l1为其余两段的长度，E为所用材料的弹性模量，I1为无空腔段的转动惯量，I2为空腔段的转动惯量。
进一步地，所述铰接孔洞的直径为2-4mm，通过润滑的杆件与外部相连接。
进一步地，所述空腔距离铰接孔洞的距离为4-6mm。
进一步地，所述主体梁构件采用铝材料。
本发明带空腔的梁式压电集能器的具体工作原理为，当该设备安装在其他器件上时，环境中的振动引发此集能器质量块的振动，质量块不停的上下振动引发主体梁构件上的压电元件发生形变，使该梁式压电集能器结构实现将振动的机械能转换为电能。
与现有技术相比，本发明采用一种新的梁的固定形式，在其上开一定的空腔，与传统的悬臂梁式的压电集能器相比，能够产生更大的变形，增加了梁中间段的应变值进而增加了压电元件产生的电压值。本发明所提出的等强度截面，梁构件的截面大小一致，所占用的体积较小，同时，在基于构件长度一致的条件下，在质量块相同位移时，本发明所提出的构件产生的形变更大。同时中间段为等应变段，此外，在特殊情况下，可通过改变l2与l1的比值从而实现较宽的谐振带，使其具有更加稳定的性能，产生电能的效率更高，可以用来给电子器件等取代部分化学电池，摆脱定期更换电源的束缚，实现长期不用更换电源的可持续工作。本发明带空腔的梁式压电集能器加工制作成本较低，无电磁干扰，相比传统的化学电池具有环保无污染的优点。
附图说明
图1为本发明带空腔的梁式压电集能器的正立面图；
图2为本发明带空腔的梁式压电集能器的俯视图；
图3为本发明带空腔的梁式压电集能器空腔部分的剖面图；
图中：1为主体梁构件、2为压电元件、3为空腔、4为质量块、5为铰接孔洞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种带空腔的梁式压电集能器，其主要包括主体梁构件1、压电元件2、空腔3、质量块4、铰接孔洞5。主体梁构件1通过两个铰接孔洞5与外部构件铰接，其两端为自由端，各放置有一个质量块4，在主体梁构件1三等分段中间段处开一空腔，同时压电元件2与该段梁构件通过粘接胶层连接在一起。
主体梁构件1的长度为240mm、宽度为25mm、高度为6mm，使用的材料为铝，其弹性模量为71Gpa，密度为2700Kgm-3。压电元件2可以根据实际需要采用锆钛酸铅压电陶瓷压电材料，在垂直方向上极化，表面镀有电极。压电元件2的宽度为25mm，厚度为0.5mm，长度为80mm。空腔3距离铰接孔洞5的距离为5mm，长度为80mm。空腔3顶部距主体梁构件1上表面0.5mm，空腔3中间高度为3mm。
当本发明带空腔的梁式压电集能器在工作环境下时，环境中的振动引发质量块4的竖向位移，从而引发主体梁构件1的弯曲振动，主体梁构件1的弯曲振动引起空腔3处主体梁构件1段的上下表面的形变，通过上下表面与压电元件间的粘接，使得压电元件2与其共同变形，引起了压电元件2的形变，从而产生电势差，并输出电压。并且由于空腔的存在显著降低了该段的转动惯量，使得形变值相比其他部分显著增加，同时，采用铰接的连接方式，使中间段的应变值一致，提高了振动能向电能的转换效率，相比传统的悬臂梁压电集能器，本发明可收集到的能量更多。
Claims (10)
1.一种带空腔的梁式压电集能器，包括主体梁构件和设于主体梁构件两端的质量块，其特征在于，所述主体梁构件上对称设有一对用于与外部构件铰接的铰接孔洞，所述铰接孔洞之间的主体梁构件中间开有一空腔，所述主体梁构件在空腔处的上下表面设置压电元件。
2.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述主体梁构件为截面为长方形的金属杆件。
3.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述空腔沿所述主体梁构件的轴向设置，所述空腔的长度为主体梁构件长度的四分之一到二分之一，空腔的厚度为主体梁构件厚度的三分之一到二分之一。
4.根据权利要求3所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述空腔的长度为主体梁构件长度的三分之一，空腔的厚度为主体梁构件厚度的二分之一。
5.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述压电元件采用锆钛酸铅压电陶瓷、压电聚合物或定向压电陶瓷压电材料，在垂直方向上极化，并在表面镀有电极。
6.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述压电元件通过粘接胶层粘接在主体梁构件的外表面。
7.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述质量块的质量根据所需的固有频率设置，固有频率具体计算公式为：
一阶固有频率：
二阶固有频率：
其中：l2为中间空腔段的长度，l1为其余两段的长度，E为所用材料的弹性模量，I1为无空腔段的转动惯量，I2为空腔段的转动惯量。
8.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述铰接孔洞的直径为2-4mm，通过润滑的杆件与外部相连接。
9.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述空腔距离铰接孔洞的距离为4-6mm。
10.根据权利要求1所述的一种带空腔的梁式压电集能器，其特征在于，所述主体梁构件采用铝材料。
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