CN109936308A - 二维压电能量回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维压电能量回收装置及方法，该装置包括本体，本体由顶盖和基座盖合而成，本体内具有容纳腔，容纳腔内设置有能量回收机构、至少两组滑动导向机构、至少两组力传导机构，至少两组滑动导向机构固定安装于基座的两侧，力传导机构的一端与能量回收机构连接，力传导机构的另一端与顶盖连接，当顶盖接收到二维输入力时，能量回收机构沿滑动导向机构的轴向移动。本发明的方法应用于上述的二维压电能量回收装置。本发明能够通过单个压电陶瓷堆可以收集两个维度内所有方向的机械力所产生的能量，同时具备转换效率高、能量密度大、成本低、适用性广等特点。

Description

二维压电能量回收装置及方法

【技术领域】

本发明涉及压电发电技术领域，具体的，涉及一种二维压电能量回收装置及应用于该装置的二维压电能量回收方法。

【背景技术】

近些年来，随着微机电系统(MEMS)的发展，许多关于微机电系统的应用都在快速发展。其中，微机电系统的使用寿命通常都取决于自身能量供应装置的工作寿命。所以，作为一种自维持能量供应装置，微型能量回收装置受到人们的广泛关注。

目前，按照工作原理的区别，微型能量回收装置可以分为四类，分别是磁电式、驻极体式、静电式和压电式。每种类别分别都有各自的优点和缺点。其中，压电式微型能量回收装置由于具有小尺寸、简易结构和高能量密度的优点，从而得到了研究者们的高度关注。压电式微型能量回收装置按照所使用的压电陶瓷的形状可以分为压电陶瓷片与压电陶瓷堆，它们分别通过d31和d33压电效应来对机械能进行回收。因为压电陶瓷片在受到较大的力的情况下非常容易损坏，所以大多数基于压电陶瓷片的微型能量回收装置都是应用于回收较小的力所产生的能量。然后，由于压电陶瓷堆具有高压电系数和高刚度的特点，故大多数较大的力所产生的能量都是由基于压电陶瓷堆的微型能量回收装置来进行回收。

申请号为201410711978.9的中国发明专利公开了一种采用压电陶瓷堆的脚踏压电发电装置，申请号为201710724955.5的中国发明专利公开了一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器。然而，它们只能俘获单一垂直方向上的机械能，其他方向的力所产生的能量被浪费了。通常，一个能量回收装置能够回收越多方向上的力所产生的能量就越实用，为了回收多个方向上的机械能，可以使用多个压电陶瓷堆来实现。

例如，申请号为201310317926.9的中国发明专利公开了一种基于压电陶瓷的能量回收系统及手持设备，其通过采用二维正交安装的多个压电陶瓷片来俘获二维力产生的机械能。申请号为201620073161.8的中国实用新型专利提出了一种全方向压电发电装置，其通过将质量块固定在多个压电陶瓷块上来实现多方向压电振动发电。虽然采用多个压电陶瓷装置可以实现多方向的能量采集，然而，由于多个压电陶瓷不能同时工作，产生的能量密度较低。

另外，现有采用单个压电陶瓷的能量回收装置只能俘获单一方向上的机械能，适用性小。所以，现有多方向能量回收装置是采用多个压电陶瓷来实现，能量密度低。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种通过单个压电陶瓷堆回收二维方向机械能的二维压电能量回收装置。

本发明的另一目的是提供一种具有转换效率高、能量密度大、成本低、适用性广等特点的二维压电能量回收方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的二维压电能量回收装置包括本体，本体由顶盖和基座盖合而成，本体内具有容纳腔，容纳腔内设置有能量回收机构、至少两组滑动导向机构、至少两组力传导机构，至少两组滑动导向机构固定安装于基座的两侧，力传导机构的一端与能量回收机构连接，力传导机构的另一端与顶盖连接，当顶盖接收到二维输入力时，能量回收机构沿滑动导向机构的轴向移动。

进一步的方案是，能量回收机构包括压电元件以及压力放大器，压电元件的两端与压力放大器的压力输出端连接。

更进一步的方案是，压电元件为单个压电陶瓷堆。

更进一步的方案是，压力放大器为两级菱形柔性压力放大器。

更进一步的方案是，力传导机构包括至少两个力传导部，力传导部固定连接于压力放大器的压力输入端。

更进一步的方案是，力传导机构具有卡槽结构，卡槽结构的内部轮廓与力传导部的外部轮廓相匹配。

更进一步的方案是，力传导部为圆锥头。

更进一步的方案是，卡槽结构为圆锥槽结构。

由此可见，本发明提供的二维压电能量回收装置通过顶盖作为输入端接收外界传递的二维输入力，当二维输入力作用于顶盖时，该输入力被传递到带卡槽结构的力传导机构上，又通过其卡槽结构传递到与其接触的两个力传导部上，通过力传导机构和滑动导向机构把二维力转变为一维力，并经由压力放大器作用于单个压电陶瓷堆，从而回收二维平面内任何方向上的力所产生的能量。

为了实现上述的另一目的，本发明还提供的二维压电能量回收方法，应用于二维压电能量回收装置，该方法包括当顶盖接收到二维输入力时，顶盖将二维输入力传递至力传导机构，力传导机构通过力传导部将二维输入力传递至能量回收机构的压力放大器的两个压力输入端，二维输入力经由压力放大器进行压力放大后施加至压电元件的两端，压电元件通过正压电效应产生电能，即可完成二维输入力的能量回收。

进一步的方案是，当力传导部将二维输入力传递至压力放大器的两个压力输入端后，由力传导部将Y或Z方向的力分量转变为沿X方向的力分量，由力传导部沿X方向的力分量驱动压力放大器的两个压力输入端分别沿X方向和(-X)方向往中心方向移动，即X方向的力分量经由压力放大器放大之后分别施加至压电元件的两端。

由此可见，当一个位于YZ平面内的二维输入力作用于顶盖即力的输入端时，该输入力被传递到带卡槽结构的力传导机构上，又通过其卡槽结构传递到与其接触的两个力传导部上，通过力传导机构和滑动导向机构把二维力转变为一维力，并经由压力放大器作用于单个压电陶瓷堆，从而回收二维平面内任何方向上的力所产生的能量。

【附图说明】

图1是本发明二维压电能量回收装置实施例的结构示意图。

图2是本发明二维压电能量回收装置实施例的立体分解图。

图3是本发明二维压电能量回收装置实施例的俯视图。

图4是本发明二维压电能量回收装置实施例中力传导机构和压力放大器的结构示意图。

图5是本发明二维压电能量回收装置实施例中力传导机构和压力放大器的正视图。

图6是本发明二维压电能量回收装置实施例中力传导机构和压力放大器的左视图。

图7是本发明二维压电能量回收装置实施例中滑动导向机构的结构示意图。

图8是本发明二维压电能量回收装置实施例中滑动导向机构的正视图。

图9是本发明二维压电能量回收装置实施例中滑动导向机构的左视图。

图10是本发明二维压电能量回收装置实施例中顶盖的结构示意图。

图11是本发明二维压电能量回收装置实施例中顶盖的正视图。

图12是本发明二维压电能量回收装置实施例中基座的结构示意图。

图13是本发明二维压电能量回收装置实施例中基座的正视图。

【具体实施方式】

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限用于本发明。

二维压电能量回收装置实施例：

参见图1至图13，本发明的二维压电能量回收装置包括本体，本体由顶盖5和基座6盖合而成，本体内具有容纳腔，容纳腔内设置有能量回收机构2、两组滑动导向机构3、至少两组力传导机构4，至少两组滑动导向机构3固定安装于基座6的两侧，力传导机构4的一端与能量回收机构2连接，力传导机构4的另一端与顶盖5连接，当顶盖5接收到二维输入力时，能量回收机构2沿滑动导向机构3的轴向移动。本实施例提供的装置是一种基于压电陶瓷与柔性机构的能量回收装置，采用单个压电陶瓷堆收集两个维度内任意方向上的机械力所产生的能量，适用于多维外力能量俘获，例如可用于回收人行道上行人步行所产生的压力和摩擦力能量。

其中，能量回收机构2包括压电元件21以及压力放大器22，压电元件21的两端与压力放大器22的压力输出端连接。作为优选，压电元件21为单个压电陶瓷堆，压力放大器22为两级菱形柔性压力放大器。

力传导机构4包括至少两个力传导部7，力传导部7固定连接于压力放大器22的压力输入端。作为优选，力传导部7为圆锥头。

力传导机构4具有卡槽结构41，卡槽结构41的内部轮廓与力传导部7的外部轮廓相匹配。作为优选，卡槽结构41为圆锥槽结构。

可见，本发明由以下部分组成：一个压电陶瓷堆、一个两级菱形柔性压力放大器、两组滑动导向机构3、两组带有圆锥槽结构和圆锥头的力传导机构4、顶盖5(输入端)和基座6(固定端)。其组装步骤为：将压电陶瓷堆嵌入两级菱形柔性压力放大器中；将两级菱形柔性压力放大器嵌入两组滑动导向机构3中；将两组滑动导向机构3固定在基座6上；每组力传导机构4的两端分别固定在两级菱形柔性压力放大器和顶盖5上。

所以，本发明提供的二维压电能量回收装置通过顶盖5作为输入端接收外界传递的二维输入力，当二维输入力作用于顶盖5时，该输入力被传递到带卡槽结构41的力传导机构4上，又通过卡槽结构41传递到与其接触的两个力传导部7上，通过力传导机构4和滑动导向机构3把二维力转变为一维力，并经由两级菱形柔性压力放大器作用于单个压电陶瓷堆，从而回收二维平面内任何方向上的力所产生的能量。

二维压电能量回收方法实施例：

二维压电能量回收方法，应用于上述的二维压电能量回收装置，该方法包括当顶盖5接收到二维输入力时，顶盖5将二维输入力传递至力传导机构4，力传导机构4通过力传导部7将二维输入力传递至能量回收机构2的压力放大器22的两个压力输入端，二维输入力经由压力放大器22进行压力放大后施加至压电元件21的两端，压电元件21通过正压电效应产生电能，即可完成二维输入力的能量回收。

进一步的，当力传导部7将二维输入力传递至压力放大器22的两个压力输入端后，由力传导部7将Y或Z方向的力分量转变为沿X方向的力分量，由力传导部7沿X方向的力分量驱动压力放大器22的两个压力输入端分别沿X方向和(-X)方向往中心方向移动，即X方向的力分量经由压力放大器22放大之后分别施加至压电元件21的两端。

因此，当一个位于Y-Z平面内的二维输入力作用于顶盖5时，该力被传递到力传导机构4上，又通过其圆锥槽结构传递到与其接触两个圆锥头上。每个圆锥头固定在两级菱形柔性压力放大器的输入端。由于该接触力垂直于圆锥头接触面，其沿Y、Z方向的力分量被转变为沿X方向的力分量，该X方向的力分量使两级菱形柔性压力放大器的两个压力输入端分别沿X和(-X)方向往中心方向移动。该X方向的力分量经由两级菱形柔性压力放大器放大之后施加到压电陶瓷堆的两端，压电陶瓷堆通过正压电效应产生电能。

由此可见，当一个位于Y-Z平面内的二维输入力作用于顶盖5即力的输入端时，该输入力被传递到带有卡槽结构41的力传导机构4上，又通过卡槽结构41传递到与其接触的两个力传导部7上，通过力传导机构4和滑动导向机构3把二维力转变为一维力，并经由两级菱形柔性压力放大器作用于单个压电陶瓷堆，从而回收二维平面内任何方向上的力所产生的能量。

此外，在有二维力输入的情况下，本发明能够比普通的单压电陶瓷堆微型能量回收装置俘获到更多的能量，具有转换效率高、能量密度大、经济实惠、适用性广等优点。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.二维压电能量回收装置，包括本体，所述本体由顶盖和基座盖合而成，其特征在于：

所述本体内具有容纳腔，所述容纳腔内设置有能量回收机构、至少两组滑动导向机构、至少两组力传导机构，至少两组所述滑动导向机构固定安装于所述基座的两侧，所述力传导机构的一端与所述能量回收机构连接，所述力传导机构的另一端与所述顶盖连接，当所述顶盖接收到二维输入力时，所述能量回收机构沿所述滑动导向机构的轴向移动。

2.根据权利要求1所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述能量回收机构包括压电元件以及压力放大器，所述压电元件的两端与所述压力放大器的压力输出端连接。

3.根据权利要求2所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述压电元件为单个压电陶瓷堆。

4.根据权利要求2所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述压力放大器为两级菱形柔性压力放大器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述力传导机构包括至少两个力传导部，所述力传导部固定连接于所述压力放大器的压力输入端。

6.根据权利要求5所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述力传导机构具有卡槽结构，所述卡槽结构的内部轮廓与所述力传导部的外部轮廓相匹配。

7.根据权利要求6所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述力传导部为圆锥头。

8.根据权利要求6所述的二维压电能量回收装置，其特征在于：

所述卡槽结构为圆锥槽结构。

9.二维压电能量回收方法，应用于如权利要求1至8任一项所述的二维压电能量回收装置，其特征在于，该方法包括：

当顶盖接收到二维输入力时，所述顶盖将所述二维输入力传递至力传导机构，所述力传导机构通过力传导部将所述二维输入力传递至能量回收机构的压力放大器的两个压力输入端，所述二维输入力经由所述压力放大器进行压力放大后施加至压电元件的两端，所述压电元件通过正压电效应产生电能，即可完成二维输入力的能量回收。

10.根据权利要求9所述的能量回收方法，其特征在于：

当所述力传导部将所述二维输入力传递至压力放大器的两个压力输入端后，由所述力传导部将Y或Z方向的力分量转变为沿X方向的力分量，由所述力传导部沿X方向的力分量驱动所述压力放大器的两个压力输入端分别沿X方向和(-X)方向往中心方向移动，即X方向的力分量经由所述压力放大器放大之后分别施加至所述压电元件的两端。