CN110429862B - 一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，涉及能量收集装置领域。本发明是为了解决现有的压电振动能量收集装置在感知强振动条件下易损毁，对大范围振动频带输出功率较小、利用效率较低的问题。本发明轮辐式压电振动能量收集结构包括两个质量块、两个环形板、以及轮辐式压电振子；轮辐式压电振子包括轮辐式固支梁和贴在轮辐式固支梁每个分支端部的压电陶瓷片，压电陶瓷片上、下两个表面设置有电极；压电振子每个分支的端部固定在上、下两个环形板之间，压电振子的中心固定在上、下两个质量块之间。本发明适用于道路、桥梁、工厂机器、车辆等大中型设备的振动能量收集。

Description

一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量收集装置，属于机械工程领域。

背景技术

随着集成电路、微机电系统(MEMS)及无线网络和物联网的蓬勃发展，供电不持久、替换困难且污染严重造成资源浪费的化学电池越来越无法满足高效、绿色的科技需要，全世界都在迫切地寻找一次性能源的代替品作为日常供能的主力军。目前，应用较为广泛的太阳能电池板、风能发电机等已成为电能输出的主要力量。但就小型化、微型化能量的收集方面还缺乏广泛应用的产品和设备。

振动能量收集装置将日常生活中微小的振动机械能通过压电材料的压电效应转化为电能，这一振动能量收集方式受到了国内外学者的广泛认可和关注。压电振动以其结构简单、寿命长、效率高、易于MEMS加工工艺兼容等优势脱颖而出。目前，研究的总体趋势是在装置的结构和电路的设计方面进行构思和优化，以对振动更敏感、响应更迅速、发电更稳定、输出效率更高为目标进行创新。已出现的悬臂梁式、螺旋型、L式、钹型、蒲公英式等多种多样的压电能量收集装置，在多方向感知振动、扩大振动幅度、提高压电材料延展程度等方面提高压电输出、降低损耗效率。在电路收集方面，标准储能、串联、并联、Buck-Boost能量收集电路等提供了整流、滤波、交直流变换等功能，将输出的含杂交流信号处理成可收集储存的稳定输出的直流信号，为后续的使用和传输打下基础。

压电振动能量收集装置可应用于道路、桥梁、铁路、房屋、车辆机械等大中型设备的振动条件下，或人体生命活动、无线传感、便携式电子设备等微型装置的供能需求中，在实际生活中具有广泛的应用前景。然而，日常生活中道路、桥梁、铁路、房屋、车辆机械等设施或设备固有频率低，压电材料在感知强振动条件下变形大、易损毁，且能量收集装置能量输出频带小、对大范围振动频率利用效率过低等缺点还需要进一步研究和改善。因此，为了保证收集装置的安全工作并获得更高的能量输出，设计一种振动平稳、低频段工作、带宽大且固有振动频率可调、输出效率高的压电振动能量收集装置尤为重要。

发明内容

本发明是为了解决现有的压电振动能量收集装置在感知强振动条件下易损毁，对大范围振动频率利用效率低的问题，现提供一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置。

本发明所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置包括轮辐式压电振动能量收集结构和压电能量收集电路；

所述轮辐式压电振动能量收集结构包括两个质量块、两个环形板、以及轮辐式压电振子；

轮辐式压电振子包括轮辐式固支梁和贴在轮辐式固支梁每个分支端部的压电陶瓷片，压电陶瓷片上、下两个表面设置有电极；

压电振子每个分支的端部固定在上、下两个环形板之间，压电振子的中心固定在上、下两个质量块之间；

压电能量收集电路用于将轮辐式压电振子输出的电能转化为能够存储的电能。

进一步地，两个质量块采用磁铁制成；

所述可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置还包括一个或多个永磁体；所述永磁体位于两个质量块的一侧或两侧，所述永磁体的极性以及与质量块的间距可调。

进一步地，还包括外部支架，所述外部支架由上、下、左、右四块平板构成，所述所述轮辐式压电振动能量收集结构位于外部支架内，上平板的中心处设置有螺旋调节装置，螺旋调节装置的底部安装有永磁体，下平板上方上安装有底座，底座的中心处设置另一永磁体，该永磁体与底座之间设置有垫片。

进一步地，压电陶瓷片上顶电极面积与压电陶瓷片面积的比值小于100％，底电极面积与压电陶瓷片面积的比值大于100％。

进一步地，压电振子的每个分支均为梯形，所述分支的端部为梯形较长的底边，该底边固定在上、下两个环形板之间。

进一步地，压电陶瓷片为梯形，其较长的底边靠近轮辐式固支梁分支的端部，压电陶瓷片的两个斜边与梯形固支梁两个斜边的倾斜程度相同。

进一步地，压电能量收集电路包括整流桥、电容C1、电容C2、电压监测电路、以及稳压电路；

电容C1与电容C2并联，形成并联电路；

整流桥的输入侧连接压电陶瓷片的电极，输出侧连接并联电路的两端；

电压监测电路的输出端连接并联电路的两端，输出端连接稳压电路的输入端；

稳压电路的输出端用于连接外部存储电路的输入端。

总体而言，与现有技术相比，本发明所述的一种可调节宽频带轮辐式压电振动能量收集装置能够取得下列有益效果：

1、常规结构的压电振子，其固有频率所对应的带宽只有5Hz左右，而本发明的轮辐式压电振子固有频率的带宽能达到20Hz～30Hz，大大扩展了应用范围，能够满足常生活中绝大部分低频环境振动的需求。

2、本发明即使振动在较大外力、较大加速度的条件下，两端固支的轮辐式固支梁也能确保其变形和振动幅值处于较小范围内，且质量块严格按照竖直方向振动，保证各压电陶瓷片受力均匀且变形相同。此结构可有效避免固支梁及压电陶瓷片破损毁坏，保证压电振子的安全使用。

3、本发明中轮辐式固支梁两端固支状态使振动频次增加，另外质量块的引入使振幅加大、频率明显降低，这两种情况均使压电材料拉伸收缩作用明显，较一般悬臂梁式压电振动发电装置能够产生较大电荷输出。

4、磁铁质量块受多种金属的磁力影响，使压电振子等效刚度产生变化，在承受相同的载荷或加速度条件下固有频率发生改变，使频带可调。

5、轮辐式梯形固支梁频带较宽，在选择内外阻相互影响不大的电路条件下，开路电压和闭路功率均处于较高水平。

附图说明

图1是具体实施方式提供的一种轮辐式压电振动能量收集结构的结构示意图；

图2是轮辐式梯形固支梁的结构示意图；

图3是压电陶瓷片的结构示意图；

图4是环形板的结构示意图；

图5是具体实施方式提供的另一种轮辐式压电振动能量收集结构的结构示意图；

图6是固支梁在振动条件下的状态模拟图；

图7是压电能量收集电路的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置包括轮辐式压电振动能量收集结构和压电能量收集电路。

如图1所示，轮辐式压电振动能量收集结构包括轮辐式压电振子、两个圆柱形的质量块3、以及两个环形板5，轮辐式压电振子包括轮辐式固支梁和贴在轮辐式固支梁每个分支端部的压电陶瓷片。轮辐式固支梁每个分支均为等腰梯形，所述等腰梯形的宽端固定在两层环形板之间，窄端固定在两个质量块之间，各分支沿圆周方向均匀布置，形成一个在圆柱形质量块中轴线方向上下振动的固支梁模型，该模型能够感知微小振动。轮辐式固支梁所包含的分支的数量可以是五个，也可以更多。五个分支相对于装置的大小以及干涉的问题来说都是比较好的选择。如果少于五个，收集的能量势必会减少，而且空间利用率比较低。如果数量多于五个，中间干涉部分会更大，梯形固支梁的振动长度就会减少，导致每片梯形固支梁所收集的能量减少，但是总体还是有所增加。

压电陶瓷片1粘附于轮辐式梯形固支梁2上组成压电振子，如图2所示。轮辐式固支梁2的材料为H62黄铜，形状为等腰梯形，轮辐式固支梁的每个分支上开两螺栓孔。压电陶瓷片1材料为锆钛酸铅压电陶瓷片(PZT-5H)，两个斜边的倾斜程度与所述分支的倾斜程度相同。压电陶瓷片1的上下两个表面包裹银(Ag)电极，电极采用翻边电极粘贴方式，即：顶电极覆盖80％压电陶瓷片，底电极长度为压电陶瓷片长度的1.1倍，其中将压电陶瓷片1反侧覆盖完全并将多余电极片翻边至顶电极一侧，该部分面积约占压电陶瓷片1的10％，顶电极与底电极之间应有一定间距，防止两电极接触使电荷中和，电极粘贴完成后如图3所示，图3(a)左侧为压电陶瓷片的正视图，右侧为右视图，图3(b)为压电陶瓷片的立体结构示意图，然后将压电陶瓷片加工成梯形。利用丙烯酸将底电极-压电片-顶电极所形成的整体结构粘贴在轮辐式固支梁2上，位置如图2所示。利用焊锡将顶部电极与底部电极连上导线引出，为后续连接电路、测算输出提供条件。钕铁硼磁铁为材料的圆柱形质量块3对称布置于轮辐式固支梁上下两侧。五个分支的窄端集合在一起，并用丙烯酸结构AB胶固定在两个圆柱形磁铁质量块3之间，以保证轮辐式固支梁与质量块3振动的一致性。为了安装牢固，上部磁铁的下端极性与下部磁铁的上端极性应当相反。轮辐式固支梁2的宽端沿圆周方向均匀布置在两个环形亚克力板5之间，轮辐式固支梁与环形亚克力板上均开有螺栓孔6，二者通过螺栓固定，以避免在振动过程中固支梁左右错动或上下不稳定。另外，环形板上还需要开若干个定位孔7，如图4所示，所述的若干个定位孔7应当沿圆周方向均匀分布，用于将轮辐式压电振动能量收集结构固定在激振器等实验设备上，避免振动中出现应力集中现象。

可进一步利用磁铁质量块对轮辐式压电振动能量收集装置的使用方式进行改进，引进额外磁铁进行磁场干预，调节装置的固有频率及带宽，提高输出性能。

如图5所示，在轮辐式压电振动能量收集结构的外部设置支架8，支架8由上、下、左、右四块平板构成，螺旋调节装置4贯穿上平板的中心，螺旋调节装置4的底部安装有永磁体，通过调节螺旋调节装置4可以调节该永磁体与质量块3的间距，进而改变该永磁体与质量块3之间磁力的大小。下平板上安装有底座10，底座3的中心处设置另一永磁体，该永磁体与底座10之间设置有垫片9，通过调节垫片9的厚度可以调节该永磁体与质量块的间距，进而改变该永磁体与质量块的之间磁力的大小。永磁体的作用是对已有磁场进行干预，以改变压电振子的刚度，进而改变轮辐式压电振动能量收集结构的固有频率和带宽，使用时，可根据实际需要来改变永磁体的数量和极性，例如，不设置永磁体(此时，质量块可以采用非磁性材料)、只在质量块的上方或下方设置永磁体、或者上下方均设置多个永磁体，永磁体与相邻的质量块(或相邻的永磁体)之间可以相吸也可以相斥，总之，可以根据实际需求来设置永磁体的数量和极性。

如图6所示，a为本发明提供的轮辐式固支梁简化成普通悬臂梁(具有有等效的外加弯矩)后振动的模型示意图，b为本实施方式提供的压电振子振动的模型示意图。从图中可以看出，两端固支的情况下压电振子的振动与普通悬臂梁的变形方式有本质区别，相较于单弯折变形，轮辐式压电振动能量收集的振子属于对称平行双弯曲振动变形。这种变形不会使连接固定端部分承受过大的变形而断裂，也能保证质量块保持竖直方向振动不倾斜。

如图7所示，压电能量收集电路除了电阻、电容等器件外，还引入了电压检测芯片MAX6433和稳压输出芯片MAX666。工作原理为：轮辐式压电振动能量收集结构产生的电信号分别经过各自的整流桥(D1至D5)后并联输出；再经过电容C1低通滤波、电容C2短暂存储电荷；然后经MAX6433实时电压监测；当电容电压达到导通阈值且持续140ms后MAX6433导通，电信号经后续MAX666芯片稳压输出，随着持续放电电容电压降低至截止阈值时MAX6433截止。此时电容C2继续短暂储能直至电压达到导通阈值，以此循环往复间断供能。本实施方式引入电压检测芯片MAX6433和稳压输出芯片MAX666能够使能量收集效率更高、存储电荷更稳定。

Claims (6)

1.一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，包括轮辐式压电振动能量收集结构和压电能量收集电路；

所述轮辐式压电振动能量收集结构包括两个质量块、两个环形板、以及轮辐式压电振子；

轮辐式压电振子包括轮辐式固支梁和贴在轮辐式固支梁每个分支端部的压电陶瓷片，压电陶瓷片上、下两个表面设置有电极；

压电振子每个分支的端部固定在上、下两个环形板之间，压电振子的中心固定在上、下两个质量块之间；

压电能量收集电路用于将轮辐式压电振子输出的电能转化为能够存储的电能；

轮辐式固支梁每个分支均为等腰梯形，所述等腰梯形的宽端固定在两层环形板之间，窄端固定在两个质量块之间，各分支沿圆周方向均匀布置，形成一个在圆柱形质量块中轴线方向上下振动的固支梁模型；

即使振动在较大外力、较大加速度的条件下，两端固支的轮辐式固支梁也能确保其变形和振动幅值处于较小范围内，且质量块严格按照竖直方向振动；

轮辐式固支梁两端固支状态使振动频次增加，另外质量块的引入使振幅加大、频率明显降低，这两种情况均使压电材料拉伸收缩作用明显，较一般悬臂梁式压电振动发电装置能够产生较大电荷输出；

压电陶瓷片设置在轮辐式悬臂梁每个分支的宽端；

轮辐式固支梁与两个环形板上均开有螺栓孔(6)，二者通过螺栓固定；

还包括外部支架，所述外部支架由上、下、左、右四块平板构成，所述轮辐式压电振动能量收集结构位于外部支架内，上平板的中心处设置有螺旋调节装置，螺旋调节装置的底部安装有永磁体，下平板上方上安装有底座，底座的中心处设置另一永磁体，该永磁体与底座之间设置有垫片。

2.根据权利要求1所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，两个质量块采用磁铁制成；

所述可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置还包括一个或多个永磁体；所述永磁体位于两个质量块的一侧或两侧，所述永磁体的极性以及与质量块的间距可调。

3.根据权利要求1或2所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，压电陶瓷片上顶电极面积与压电陶瓷片面积的比值小于100％，底电极面积与压电陶瓷片面积的比值大于100％。

4.根据权利要求1或2所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，压电振子的每个分支均为梯形，所述分支的端部为梯形较长的底边，该底边固定在上、下两个环形板之间。

5.根据权利要求4所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，压电陶瓷片为梯形，其较长的底边靠近轮辐式固支梁分支的端部，压电陶瓷片的两个斜边与梯形固支梁两个斜边的倾斜程度相同。

6.根据权利要求1或2所述的一种可调节宽频带轮辐式压电能量收集装置，其特征在于，压电能量收集电路包括整流桥、电容C1、电容C2、电压监测电路、以及稳压电路；

电容C1与电容C2并联，形成并联电路；

整流桥的输入侧连接压电陶瓷片的电极，输出侧连接并联电路的两端；

电压监测电路的输出端连接并联电路的两端，输出端连接稳压电路的输入端；

稳压电路的输出端用于连接外部存储电路的输入端。

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