CN113078848B - 一种振动式压电发电装置及其压电方法 - Google Patents
一种振动式压电发电装置及其压电方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种振动式压电发电装置装置及其压电方法，包括支撑壳体、放置有压电片的弹簧钢片以及传动结构，弹簧钢片的两侧与传动结构连接且传动结构使弹簧钢片围绕中心发生弯曲形成电压。本发明将弹簧钢片两侧与传动机构结合，传动机构使弹簧钢片或压电片围绕中间发生弯曲，相比于传统悬臂梁结构，增加了弹簧钢片或压电片的弯曲变形程度，使得振动式压电能量发电装置具有更加广泛的应用前景。该装置具有结构简单、运行平稳、能量收集原理新颖、能量收集效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，具体的说是涉及一种振动式压电发电装置及其压电方法。
背景技术
随着科技的不断进步与发展，趋于微型化、微电子化的智能设备在我们身边随处可见，其广泛被应用的同时也促进了微机电系统低功率供能技术的出现与发展。为该类型的设备提供电能的传统化学电池，却存在诸多弊端，比如说废旧电池的定期更换、维护成本较高等。机械振动能量在我们生活中处处可见，且具有来源广泛，清洁环保等优点。近年来，利用压电材料从环境中获取振动能量，并将其转化成电能储存起来，必要时为微电子设备提供电能的技术，得到了国内外学者和研究人员的广泛关注和重点研究。
ZL2018100146092公开了一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，通过正交的两片末端装有磁铁的压电片以及磁铁之间的排斥力的作用，在竖向振动以及水平振动时都能够引起压电片的形变，从而能够收集到二维振动的能量，此收集装置在竖直和水平方向上的双向振动很容易造成振动能量的浪费，能量采集效率不高。
ZL2017102996909公开了一种压电式多向振动能量收集装置，该装置
通过两个基板的正交方向的真动能经过弹性元件缓冲后传递给内梁，从而触发内梁的振动，而且需要通过磁块之间的磁耦合才能引起频率上面的变频，容易受环境因素的影响，能量收集效率不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种振动式电压发电装置，该发电装置利用压电片附着在弹性物体上将振动能量转化为电能，解决了传统供电电池的弊端和避免振动能量被忽视和浪费的位置。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种振动式压电发电装置，包括支撑壳体、放置有压电片的弹簧钢片以及传动结构，其特征在于：弹簧钢片的两侧与传动结构连接且传动结构使弹簧钢片围绕中心发生弯曲形成电压。
本发明的进一步改进在于：传动结构包括第一连杆、第二连杆、竖直圆柱连杆、菱形连杆组件、第一U形连杆和第二U形连杆，第一连杆的一端顶部和弹簧的一端进行连接，弹簧的另一端与支撑壳体连接，在第一连杆靠弹簧安装端三分之一位置处通过销轴转动连接第二连杆的一端，第二连杆的另一端通过销轴与支撑壳体转动连接，第一连杆远离弹簧的一端通过销轴和竖直圆柱连杆的上端连接实现转动，竖直圆柱连杆的下端与菱形连杆组件的顶端通过销轴连接实现转动，菱形连杆组件的下端两侧对称的通过销轴与第一U型连杆和第二U型连杆连接实现转动。
本发明的进一步改进在于：弹簧钢片的两侧分别设置有预留孔，通过第二螺钉和第二螺母分别与第一U型连杆底端预留孔和第二U型连杆底端预留孔固定连接。
本发明的进一步改进在于：菱形连杆组件由第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆组成，第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆通过销轴相互连接形成菱形结构，相互转动。
本发明的进一步改进在于：第二连杆为L型，第二连杆的两端均设置有销孔，方便销轴穿过与其他部件转动连接。
本发明的进一步改进在于：弹簧钢片中间部位放置相应尺寸的压电片。
本发明的进一步改进在于：压电片与弹簧钢片之间通过胶水进行粘结固定。
本发明是一种振动式压电发电装置的驱动方法，所述驱动方法包括如下步骤：
步骤1：装置工作时，当频率为f的振动发生时，振动的形式为竖直上下振动，上下振动一次为一个周期，周期T为1/f；
步骤2：在初始时刻t=0时，第一连杆处于水平位置，带有压电片的弹簧钢片处于原长，未发生弯曲；
步骤3：在0<t<T时，第一连杆靠近弹簧的一端在外部振动带动下向上或向下运动，第一连杆的另一端通过竖直圆柱连杆带动菱形连杆组件中的第一U形连杆和第二U形连杆上下运动，第一U形连杆和第二U形连杆带动弹簧钢片两侧上下运动，实现带有压电片的弹簧钢片弯曲变形，当时间t=
T或t=
T时弯曲程度达到最大；
步骤4：当时间t=
T或t=nT（n=,1,2,3……）时带有压电片的弹簧钢片恢复原长，此时压电片产生电流，采集卡可检测其产生的电压为
或
。
本发明的有益效果是：本发明通过传动机构牵引带有压电片的弹簧钢片的弯曲变形，形成电压，与现有技术相比，将弹簧钢片两侧与传动机构结合，传动机构使弹簧钢片或压电片围绕中间发生弯曲，相比于传统悬臂梁结构，增加了弹簧钢片或压电片的弯曲变形程度，使得振动式压电能量发电装置具有更加广泛的应用前景。
该装置具有结构简单、运行平稳、能量收集原理新颖、能量收集效率高等优点。
附图说明
图1是本发明振动式压电能量发电装置的爆炸图。
图2本发明振动式压电能量发电装置的立体图。
图3本发明弹簧钢片或压电片中间位置随时间变化的变形规律图。
标识说明：1-第一连杆、2-第一螺钉、3-弹簧、4-销轴、5-第二连杆、6-第一螺母、7-第三连杆、8-竖直圆柱连杆、9-第四连杆、10-第五连杆、11-第一U形连杆、12-第六连杆、13-第二螺母、14-第二螺钉、15-弹簧钢片、16-压电片、17-支撑壳体、18-第二U型连杆。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
本发明是一种振动式压电发电装置，包括支撑壳体17、放置有压电片16的弹簧钢片15以及传动结构，本发明采用的压电片为MFC压电纤维片，所述弹簧钢片15的两侧与传动结构连接且所述传动结构使所述弹簧钢片15围绕中心发生弯曲形成电压。
附图1-2所示，本发明中的传动结构包括第一连杆1、第二连杆5、竖直圆柱连杆8、菱形连杆组件、第一U形连杆11和第二U形连杆18，所述第二连杆5为L型，所述第二连杆5的两端均设置有销孔，方便销轴穿过与其他部件转动连接，所述第一连杆1的右端顶部和弹簧3的一端进行连接，在第一连杆的右端下侧设置有弹簧限位柱，在支撑壳体上与所述第一连杆同侧的一端上侧也设置有弹簧限位柱，将弹簧安装在第一连杆和支撑壳体之间，在所述第一连杆1靠弹簧3安装端三分之一位置处通过销轴转动连接所述第二连杆5的一端，即在第一连杆的中你就按靠右三分之一位置处和第二连杆5的一端通过销轴实现转动，所述第二连杆5的另一端通过销轴与所述支撑壳体17转动连接，第一连杆远离弹簧的一端设置有带有销孔的凸耳，竖直圆柱连杆8的上端插入凸耳中，然后利用销轴4穿过凸耳和竖直圆柱连杆8实现转动连接，销轴4的另一侧通过第一螺钉2第一螺母6限位，竖直圆柱连杆8的下端与第三连杆、第五连杆的顶端通过销轴连接实现转动。
所述菱形连杆组件由第三连杆7、第四连杆9、第五连杆10和第六连杆12组成，所述第三连杆7、第四连杆9、第五连杆10和所述第六连杆12通过销轴相互连接形成菱形结构，相互转动，第三连杆7的一端与第第五连杆10的顶端通过销轴连接，第三连杆7的另一端通过销轴与第四连杆9的一端通过销轴连接，第四连杆9与第六连杆12交叉设置，相交处通过销轴连接，第六连杆12的一端与第五连杆10的另一端通过销轴转动连接，第六连杆12的另一端和第四连杆9的另一端分别通过销轴与第一U型连杆11和第二U型连杆18连接实现转动，第一U型连杆11和第二U型连杆18左右对称设置，所述弹簧钢片15的两侧分别设置有预留孔，通过第二螺钉14和第二螺母13分别与所述第一U型连杆11底端预留孔和第二U型连杆18底端预留孔固定连接。
所述压电片16与所述弹簧钢片15之间通过胶水进行粘结固定，将尺寸小于弹簧钢片的压电片16放置在弹簧钢片15的中间部位。
一种振动式压电发电装置的驱动方法，该驱动方法包括如下步骤：
步骤1：装置工作时，当频率为f的振动发生时，振动的形式为竖直上下振动，上下振动一次为一个周期，周期T为1/f；
步骤2：在初始时刻t=0时，第一连杆1处于水平位置，带有压电片16的弹簧钢片15处于原长，未发生弯曲；
步骤3：在0<t<T时，第一连杆1靠近弹簧的右端在外部振动带动下向上或向下运动，所述第一连杆1的左端通过竖直圆柱连杆8带动菱形连杆组件中的第一U形连杆11和第二U形连杆18上下运动，第一U形连杆11和第二U形连杆18带动弹簧钢片15两侧上下运动，实现带有压电片16的弹簧钢片15弯曲变形，当时间t=
T或t=
T时弯曲程度达到最大；
步骤4：当时间t=
T或t=nT（n=,1,2,3……）时带有压电片16的弹簧钢片15恢复原长，此时压电片16产生电流，采集卡可检测其产生的电压为
或
。
本发明提供一种由压电片附着在弹性物体上，能够将振动能量转化成电能的装置，用于解决传统供电电池的弊端和避免振动能量被忽视和浪费等问题。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种振动式压电发电装置，包括支撑壳体（17）、放置有压电片（16）的弹簧钢片（15）以及传动结构，其特征在于：所述弹簧钢片（15）的两侧与传动结构连接且所述传动结构使所述弹簧钢片（15）围绕中心发生弯曲形成电压，所述传动结构由第一连杆（1）、第二连杆（5）、竖直圆柱连杆（8）、菱形连杆组件、第一U形连杆（11）和第二U形连杆（18）活动连接实现转动；其中：
所述第一连杆（1）的一端顶部和弹簧（3）的一端进行连接，所述弹簧（3）的另一端与所述支撑壳体（17）连接，在所述第一连杆（1）靠弹簧（3）安装端三分之一位置处通过销轴转动连接所述第二连杆（5）的一端，所述第二连杆（5）的另一端通过销轴与所述支撑壳体（17）转动连接，所述第一连杆（1）远离所述弹簧（3）的一端通过销轴（4）和所述竖直圆柱连杆（8）的上端连接实现转动，所述竖直圆柱连杆（8）的下端与所述菱形连杆组件的顶端通过销轴连接实现转动，所述菱形连杆组件的下端两侧对称的通过销轴与第一U型连杆（11）和第二U型连杆（18）连接实现转动；
所述弹簧钢片（15）的两侧分别设置有预留孔，通过第二螺钉（14）和第二螺母（13）分别与所述第一U型连杆（11）底端预留孔和第二U型连杆（18）底端预留孔固定连接；
所述菱形连杆组件由第三连杆（7）、第四连杆（9）、第五连杆（10）和第六连杆（12）组成，所述第三连杆（7）、第四连杆（9）、第五连杆（10）和所述第六连杆（12）通过销轴相互连接形成菱形结构，相互转动。
2.根据权利要求1所述一种振动式压电发电装置，其特征在于：所述第二连杆（5）为L型，所述第二连杆（5）的两端均设置有销孔。
3.根据权利要求1所述一种振动式压电发电装置，其特征在于：所述压电片（16）设置在所述弹簧钢片（15）的中间位置。
4.根据权利要求1所述一种振动式压电发电装置，其特征在于：所述压电片（16）与所述弹簧钢片（15）之间通过胶水进行粘结固定。
5.根据权利要求1-4任一项所述振动式压电发电装置的压电方法，其特征在于：所述压电方法包括如下步骤：
步骤1：装置工作时，当频率为f的振动发生时，振动的形式为竖直上下振动，上下振动一次为一个周期，周期T为1/f；
步骤2：在初始时刻t=0时，第一连杆（1）处于水平位置，带有压电片（16）的弹簧钢片（15）处于原长，未发生弯曲；
步骤3：在0<t<T时，第一连杆（1）靠近弹簧的一端在外部振动带动下向上或向下运动，所述第一连杆（1）的另一端通过竖直圆柱连杆（8）带动菱形连杆组件中的第一U形连杆（11）和第二U形连杆（18）上下运动，第一U形连杆（11）和第二U形连杆（18）带动弹簧钢片（15）两侧上下运动，实现带有压电片（16）的弹簧钢片（15）弯曲变形，当时间t=
T或t=
T时弯曲程度达到最大；
步骤4：当时间t=
T或t=nT时带有压电片（16）的弹簧钢片（15）恢复原长，此时压电片（16）产生电流，采集卡可检测其产生的电压为
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