CN110311589A - 悬臂式自发电装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬臂式自发电装置，包括用于与外部器件连接的基座、弹性基板和多个压电片，弹性基板的一端固定于基座上，弹性基板的另一端为自由端，压电片的面积小于弹性基板的面积，弹性基板上具有应力集中的应变部位，多个压电片固定于应变部位上，并沿应变部位的轴线间隔排列；另外，本发明还提供了一种悬臂式自发电装置制造方法。本发明采用了将多个面积较小的压电片固定在弹性基板的应变部位上，通过多个压电片的压电效应将弹性基板的振动能转化为电能，以满足较大发电功率的发电需求，从而解决了大功率压电发电装置需要装配大面积锆钛酸铅压电陶瓷片的技术问题，降低了悬臂式自发电装置的设计难度，扩大了悬臂式自发电装置的适用范围。

Description

悬臂式自发电装置及其制造方法

技术领域

本发明属于压电发电装置技术领域，更具体地说，是涉及一种悬臂式自发电装置及其制造方法。

背景技术

压电发电装置是利用压电材料的压电效应进行发电的装置，其中，压电效应是指某些电介质(压电材料)在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

目前，锆钛酸铅压电陶瓷片(PZT)已经成为将各类环境中的机械振动能转换为电能的主要压电材料之一。但是由于锆钛酸铅压电陶瓷片本身的脆性较大，能够承受的机械应力和产生的翘曲度有限，因此通常需要粘贴在具有一定弹性且面积相当的材料上以避免直接承受应力的作用，然而当需要较大的发电功率时，锆钛酸铅压电陶瓷片的面积也需要作相应地增大，从而大大地增加了锆钛酸铅压电陶瓷片发生碎裂的风险，容易导致压电发电装置失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬臂式自发电装置及其制造方法，包括但不限于解决大功率压电发电装置需要装配大面积锆钛酸铅压电陶瓷片的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种悬臂式自发电装置，包括用于与外部器件连接的基座和弹性基板，所述弹性基板的一端固定于所述基座上，所述弹性基板的另一端为自由端，所述悬臂式自发电装置还包括多个压电片，所述压电片的面积小于所述弹性基板的面积，所述弹性基板上具有应力集中的应变部位，多个所述压电片固定于所述应变部位上，并沿所述应变部位的轴线间隔排列。

进一步地，所述应变部位位于所述弹性基板的距离所述基座三分之一总长度的位置处。

进一步地，多个所述压电片分别贴覆于所述应变部位的正面和/或反面上。

进一步地，所述弹性基板的外轮廓呈矩形，所述弹性基板的一侧短边与所述基座紧固连接。

进一步地，所述弹性基板的长度与所述弹性基板的宽度之比为3:1～4:1。

进一步地，所述悬臂式自发电装置还包括两导电件，两所述导电件分别与所述压电片的正反两面连接，多个所述压电片通过两所述导电件并联。

进一步地，多个所述压电片呈平行且等间隔分布。

进一步地，所述基座上开设有用于与紧固件配合的安装孔。

进一步地，所述悬臂式自发电装置还包括整流稳压电路，所述整流稳压电路通过两所述导电件与所述压电片连接。

本发明实施例还提供了一种悬臂式自发电装置制造方法，包括如下步骤：

S01、将环氧树脂板或铝合金板或铜合金板或镍合金板按照3:1～4:1的长度与宽度的比例裁切成弹性基板；

S02、将所述弹性基板的一侧短边固定于基座上；

S03、采用两导电件分别将多个压电片的正面和反面串联；

S04、将多个所述压电片分别贴覆于所述弹性基板的应变部位的正面和/或反面上；

S05、将两所述导电件与整流稳压电路连接。

本发明提供的悬臂式自发电装置及其制造方法的有益效果在于：采用了将多个面积较小的压电片固定在弹性基板的应变部位上，通过多个压电片的压电效应将弹性基板的振动能转化为电能，以满足较大发电功率的发电需求，从而有效地解决了大功率压电发电装置需要装配大面积锆钛酸铅压电陶瓷片的技术问题，降低了悬臂式自发电装置的设计难度，扩大了悬臂式自发电装置的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的悬臂式自发电装置的立体示意图；

图2为本发明实施例提供的悬臂式自发电装置的主视示意图；

图3为本发明实施例提供的悬臂式自发电装置的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的悬臂式自发电装置制造方法的工作流程图。

其中，图中各附图标记：

1—悬臂式自发电装置、10—基座、20—弹性基板、30—压电片、40—导电件、50—整流稳压电路、100—安装孔、200—应变部位的轴线、500—控制芯片、L—弹性基板的长度、W—弹性基板的宽度。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明提供的悬臂式自发电装置进行说明。

请参阅图1和图2，该悬臂式自发电装置1包括用于与外部器件连接的基座10、弹性基板20和多个压电片30，其中，压电片30的面积小于弹性基板20的面积，弹性基板20的一端固定在基座10上，弹性基板20的另一端为自由端，并且在弹性基板20上具有应力集中的应变部位，多个压电片30可以分别贴覆在应变部位的正面和反面、或者正面、或者反面上，并且沿该应变部位的轴线200间隔地排列。

可选地，在本发明中，弹性基板20为环氧树脂板、铝合金板、铜合金板或者镍合金板等，在保证硬度的前提下保留一定的弹性，可以为压电片30提供足够的支撑和曲翘力；压电片30为锆钛酸铅压电陶瓷片或者聚偏氟乙烯压电薄膜等。使用时，悬臂式自发电装置1通过基座10固定在外部器件上，当外部器件发生振动时，弹性基板20的自由端会随该振动而发生轻微的摆动，该摆动产生应力会集中到压电片30上，使得压电片30在应力作用下发生形变，进而在压电片30的两个相对表面上产生电荷能量。

本发明提供的悬臂式自发电装置1，采用了将多个面积较小的压电片30固定在弹性基板20的应变部位上，通过多个压电片30的压电效应将弹性基板20的振动能转化为电能，以满足较大发电功率的发电需求，从而有效地解决了大功率压电发电装置需要装配大面积锆钛酸铅压电陶瓷片的技术问题，降低了悬臂式自发电装置1的设计难度，扩大了悬臂式自发电装置1的适用范围。

进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，上述应变部位位于弹性基板20的距离基座10的三分之一总长度的位置处，即弹性基板20自由端的边沿与基座10的边沿之间的平均距离为弹性基板20的长度L时，应变部位的轴线200与基座10的边沿之间的平均距离为1/3L。这样可以有效地确保压电片30发挥最佳的发电效能。

进一步地，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，弹性基板20的外轮廓呈矩形，即弹性基板20的长边的长度大于弹性基板20的短边的长度，弹性基板20的一侧短边与基座10紧固连接。这样可以确保弹性基板20产生足够的振动应力驱使压电片30自发电。此处，弹性基板20的长边优选与基座10的与弹性基板20短边相接的边沿垂直。

可选地，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，弹性基板20的长度L与弹性基板20的宽度W之比为3:1～4:1。具体地，弹性基板20的长度L是指弹性基板20自由端的边沿与基座10的边沿之间的距离，弹性基板20的宽度W是指弹性基板20短边的长度。这样既可以确保弹性基板20产生足够的振动应力驱使压电片30自发电，又可以避免因弹性基板20过长导致摆动幅度过大造成贴覆在应变部位的压电片30碎裂。

进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，悬臂式自发电装置1还包括两个导电件40，两个所述导电件40分别与压电片30的正、反的两个表面连接，多个压电片30通过两个导电件40并联。具体地，导电件40可以为电线或者金属片等，多个压电片30的正面通过其中一个导电件40依次连接，多个压电片30的反面通过另一个导电件40依次连接，进而实现多个压电片30之间并联，使得悬臂式自发电装置1输出的电流增大。

进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，多个压电片30呈平行并且等间隔地分布。这样有利于充分利用上述应变部位的空间，可以布置更多的压电片30。

进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，在基座10上开设有用于与紧固件配合的安装孔100。此处紧固件可以是螺钉或者螺栓和螺母等；根据使用的具体情况和需求，安装孔100可以开设在基座10的一侧(如图1)或者相对两侧(如图2)，使得弹性基板20通过基座10既可以沿竖直方向安装于树干、电线杆等器件上，也可以沿水平方向安装于汽车底盘、发动机外壳等器件上，此处不作唯一限定。这样有利于扩大悬臂式自发电装置1的适用范围。

进一步地，请参阅图3，作为本发明提供的悬臂式自发电装置的一种具体实施方式，悬臂式自发电装置1还包括整流稳压电路50，该整流稳压电路50通过两个导电件40与压电片30连接。可以理解的是，压电片30向低功耗器件输出稳定的电压和电流时，需要外接能量转换电路来实现，然而通过压电片30将弹性基板20的振动能转化为电能的实验测试和数据分析发现：传统的能量转换电路本身会消耗掉一部分电能，为了降低能量转换电路本身的能量消耗，在本发明中，采用了美国凌力尔特(Linear)芯片制造公司针对压电材料等高阻抗电源开发的型号LTC3588的控制芯片500，并且将控制芯片500集成到整流稳压电路50中，进而通过整流稳压电路50将多个压电片30产生的电荷能量转化为稳定的电压和电流输出，供各类低功耗器件使用。压电片30和低功耗器件与控制芯片500的具体连接方式可以查阅LTC3588芯片的数据手册及应用资料。

请参阅图4，本发明提供的悬臂式自发电装置制造方法，包括如下步骤：

S01、将环氧树脂板、或者铝合金板、或者铜合金板、或者镍合金板按照3:1～4:1的长度与宽度的比例裁切成弹性基板20；

S02、将弹性基板20的一侧短边固定在基座10上；

S03、采用两个导电件40分别将多个压电片30的正面和反面串联；

S04、将多个压电片30分别贴覆在弹性基板20的应变部位的正面和/或反面上；

S05、将两个导电件40与整流稳压电路50连接。

具体地，制造悬臂式自发电装置时，先挑选具有足够硬度和一定弹性的板材，如：环氧树脂板、或者铝合金板、或者铜合金板、或者镍合金板等作为基材，按照长度与宽度的比例为3:1～4:1的范围值将基材裁切成弹性基板20，接着根据应用场景和被安装器件的布置方式，选择合适的基座10，接着将弹性基板20的一侧短边与基座10紧固连接，接着采用两个导电件40，其中一个导电件40将多个压电片30的正面串联起来，另外一个导电件40将多个压电片30的反面串联起来，进而实现多个压电片30并联，接着将完成并联的多个压电片30分别贴覆在弹性基板20的距离基座10的三分之一总长度的位置的正面和反面、或者正面、或者反面上，可以理解的是，当需要在应变部位的正反两个表面粘贴压电片30时，多个压电片30分别组成两个压电片组，其中一个压电片组贴覆在应变部位的正面，另外一个压电片组贴覆在应变部位的反面，然后通过导电件40与控制芯片500连接将压电片30连接到整流稳压电路50上，进而完成悬臂式自发电装置1。

本发明提供的悬臂式自发电装置制造方法，采用了将多个面积较小的压电片30固定在弹性基板20的应变部位上，通过多个压电片30的压电效应将弹性基板20的振动能转化为电能，以满足较大发电功率的发电需求，从而有效地解决了大功率压电发电装置需要装配大面积锆钛酸铅压电陶瓷片的技术问题，降低了悬臂式自发电装置1的设计难度，扩大了悬臂式自发电装置1的适用范围。

以上仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.悬臂式自发电装置，包括用于与外部器件连接的基座和弹性基板，所述弹性基板的一端固定于所述基座上，所述弹性基板的另一端为自由端，其特征在于，所述悬臂式自发电装置还包括多个压电片，所述压电片的面积小于所述弹性基板的面积，所述弹性基板上具有应力集中的应变部位，多个所述压电片固定于所述应变部位上，并沿所述应变部位的轴线间隔排列。

2.如权利要求1所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，所述应变部位位于所述弹性基板的距离所述基座三分之一总长度的位置处。

3.如权利要求2所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，多个所述压电片分别贴覆于所述应变部位的正面和/或反面上。

4.如权利要求3所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，所述弹性基板的外轮廓呈矩形，所述弹性基板的一侧短边与所述基座紧固连接。

5.如权利要求4所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，所述弹性基板的长度与所述弹性基板的宽度之比为3:1～4:1。

6.如权利要求5所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，还包括两导电件，两所述导电件分别与所述压电片的正反两面连接，多个所述压电片通过两所述导电件并联。

7.如权利要求6所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，多个所述压电片呈平行且等间隔分布。

8.如权利要求7所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，所述基座上开设有用于与紧固件配合的安装孔。

9.如权利要求6至8任一项所述的悬臂式自发电装置，其特征在于，还包括整流稳压电路，所述整流稳压电路通过两所述导电件与所述压电片连接。

10.悬臂式自发电装置制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01、将环氧树脂板或铝合金板或铜合金板或镍合金板按照3:1～4:1的长度与宽度的比例裁切成弹性基板；

S02、将所述弹性基板的一侧短边固定于基座上；

S03、采用两导电件分别将多个压电片的正面和反面串联；

S04、将多个所述压电片分别贴覆于所述弹性基板的应变部位的正面和/或反面上；

S05、将两所述导电件与整流稳压电路连接。