CN113746371A - 一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法 - Google Patents

一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法 Download PDF

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王路
赵立波
韩香广
王骞
费振轩
陈瑶
李支康
卢德江
罗国希
李敏
杨萍
王永录
王久洪
蒋庄德
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Abstract

本发明公开了一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法，能量收集器，包括框架、共质量块和压电双晶片，共质量块设置于框架的轴心，共质量块上在其相对的两侧分别连接相同数量的压电双晶片，共质量块同一侧的压电双晶片分布于共质量块的不同厚度上，共质量块两侧的压电双晶片分别一一相对设置；压电双晶片的两端分别与共质量块和框架连接。本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，由于简支梁横向振动占用限幅间距对于叠层是共享的，因此封装体积小，发电能量密度高。共用质量块的叠层阵列压电输出相位一致，可直接串联或并联，从而实现不同的输出电压，适应接口电路输入电压范围。

Description

一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法
技术领域
本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法。
背景技术
压电振动能量收集器随环境激励谐振，通过压电材料形变产生电荷发电。提高压电发电能量和功率密度是压电振动能量收集器设计的普遍追求。理论表明压电材料单次形变的压电发电能量与压电材料体积成正比，因此，增加压电材料体积可有效增加压电发电能量。悬臂梁式或简支梁式的压电双晶片附加质量块是经典的压电振动能量收集器结构。研究人员提出阵列结构以增加压电发电能量，如沿长度和宽度方向阵列压电悬臂梁。悬臂梁横向振动占用高度和阵列面积决定了压电振动能量收集器的封装体积。然而，对于沿长度和宽度方向阵列压电悬臂梁，其封装体积占用较大，能量密度较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器及能量收集方法，本发明的发电能量密度较高、输出电能相位相同、而且能够使得封装体积较小。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，包括框架、共质量块和压电双晶片，共质量块设置于框架的轴心，共质量块上在其相对的两侧分别连接相同数量的压电双晶片，共质量块同一侧的压电双晶片分布于共质量块的不同厚度上，共质量块两侧的压电双晶片分别一一相对设置；压电双晶片的两端分别与共质量块和框架连接。
优选的，压电双晶片与框架之间铰支连接。
优选的，压电双晶片与共质量块之间固支连接。
优选的，框架包括侧框架、上盖板和下盖板，上盖板和下盖板分别与侧框架的上端面和下端面连接，压电双晶片与侧框架连接，共质量块的两端与上盖板和下盖板之间均留有限幅间距。
优选的，所述限幅间距不大于压电双晶片的最大振幅。
优选的，所有的压电双晶片均相同。
优选的，共质量块同一侧的压电双晶片在共质量块的厚度方向上等间距分布。
优选的，所有压电双晶片的电流输出端串联或并联。
优选的，共质量块包括若干分质量块，共质量块两侧的一一相对设置的一对压电双晶片连接于同一分质量块相对的两侧，所有的分质量块连接为一个整体形成所述共质量块。
本发明还提供了一种能量收集方法，该能量收集方法采用本发明如上所述的叠层阵列简支梁压电振动能量收集器进行，包括如下过程：
当收到外界振动激励时，所有的压电双晶片一起进行同相位的谐振并输出电流，将压电双晶片输出的电流进行收集。
本发明具有如下有益效果：
本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器采用了共质量块，且共质量块上在其相对的两侧分别连接相同数量的压电双晶片，共质量块同一侧的压电双晶片分布于共质量块的不同厚度上，也即共质量块同一侧的压电双晶片是沿共质量块的厚度方向是上下叠放(但相互之间存在间距)的，因此能够减小本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器的封装体积，提高了发电能量密度。又由于共质量块两侧的压电双晶片分别一一相对设置，因此各压电双晶片发电波形同相位，使得各压电双晶片的输出可直接串联或并联，从而实现不同的输出电压，适应接口电路输入电压范围。
附图说明
图1(a)为本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器示意图的主视图，图1(b)为本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器示意图的俯视图；主视图的箭头表示上下振动方向，俯视图的箭头表示内外振动方向。
图2(a)为本发明对比的纵向阵列简支梁压电振动能量收集器示意图的主视图，图2(b)为本发明对比的纵向阵列简支梁压电振动能量收集器示意图的俯视图；主视图的箭头表示上下振动方向，俯视图的箭头表示内外振动方向。
附图中：1为第一压电双晶片，2为第一分质量块，3为第二压电双晶片，4为第三压电双晶片，5为第二分质量块，6为第四压电双晶片，7为第五压电双晶片，8为第三分质量块，9为第六压电双晶片，10为框架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1(a)和图1(b)，本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，包括框架10、共质量块和压电双晶片，共质量块设置于框架10的轴心，共质量块上在其相对的两侧分别连接相同数量的压电双晶片，共质量块同一侧的压电双晶片分布于共质量块的不同厚度上，共质量块两侧的压电双晶片分别一一相对设置(如图1(a)所示，第一压电双晶片1和第二压电双晶片3为所述一一相对设置的形式，第三压电双晶片4和第四压电双晶片6之间以及第五压电双晶片7和第六压电双晶片9之间均为所述一一相对设置的形式)；压电双晶片的两端分别与共质量块和框架10连接。叠层阵列简支梁作为谐振器件，受到框架振动激励而谐振，阵列的压电双晶片形变发电，在谐振过程中，由于叠层阵列的质量块粘合为共质量块，因此振动同相位，阵列的压电双晶片发电波形也同相位，各单元输出可直接串联或并联。
作为本发明优选的实施方案，压电双晶片与框架10之间铰支连接，铰支连接可以降低压电双晶片该端的应力，提高振幅和使用寿命。
作为本发明优选的实施方案，压电双晶片与共质量块之间固支连接。
作为本发明优选的实施方案，框架10包括侧框架、上盖板和下盖板，上盖板和下盖板分别与侧框架的上端面和下端面连接，压电双晶片与侧框架连接，共质量块的上下两端与上盖板和下盖板之间均留有限幅间距(以图1(a)所示方位为例，限幅间距为共质量块上下表面分别与上盖板和下盖板之间的净距离)。侧框架为压电双晶片的设置提供了附着点，上盖板和下盖板能够限制共质量块的振幅，限幅间距根据压电双晶片的许用应力校核结果设计，以防止振幅过载造成压电层的脆裂，形成保护作用。当振动剧烈时，质量块与框架内测碰撞将产生非线性拓频的效果，可在较宽频率范围内谐振实现最大振幅的能量收集。
作为本发明优选的实施方案，所述限幅间距不大于压电双晶片的最大振幅，当限幅间距与压电双晶片的最大振幅相同时，仅起到保护作用；当限幅间距小于压电双晶片的最大振幅时，既起到保护作用，还起到共质量块与框架内侧碰撞、产生非线性拓频的效果。
作为本发明优选的实施方案，所有的压电双晶片均相同。
作为本发明优选的实施方案，如图1(a)所示，共质量块同一侧的压电双晶片在共质量块的厚度方向上等间距分布。参照图1(b)，共质量块同一侧的压电双晶片在共质量块的厚度方向上也是上下正对的。
作为本发明优选的实施方案，所有压电双晶片的电流输出端串联或并联，可以根据需要选择连接方式，输出所需要的输出。
作为本发明优选的实施方案，共质量块包括若干分质量块，共质量块两侧的一一相对设置的一对压电双晶片连接于同一分质量块相对的两侧，所有的分质量块连接为一个整体形成所述共质量块。以图1(a)所示为例，第一压电双晶片1、第一分质量块2和第二压电双晶片3视作一个单元，第一压电双晶片1和第二压电双晶片3对称设置在第一分质量块2的左右两端，本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器中，可以采用若干上述单元上下叠放，且将所有单元之间的分质量块连接(如粘结)为一个整体结构形成本发明所述的共质量块。
本发明还提供了一种能量收集方法，该能量收集方法采用本发明如上所述的叠层阵列简支梁压电振动能量收集器进行，包括如下过程：当收到外界振动激励时，所有的压电双晶片一起进行同相位的谐振并输出电流，将压电双晶片输出的电流进行收集。
实施例
参照图1(a)和图1(b)所示，本实施例叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，包括6个相同的压电双晶片(分别为第一压电双晶片1、第二压电双晶片3、第三压电双晶片4、第四压电双晶片6、第五压电双晶片7和第六压电双晶片9)、三个相同的分质量块(分别为第一分质量块2、第二分质量块5和第三分质量块8)以及框架10，架10包括侧框架、上盖板和下盖板，上盖板和下盖板分别与侧框架的上端面和下端面连接，压电双晶片与侧框架连接。三个相同的质量块粘接为一个共质量块，第一、第三、第五压电双晶片(1、4、7)的左侧插入框架10侧框架内侧凹槽结构形成铰支连接，，第一、第三、第五压电双晶片(1、4、7)的右侧与共质量块固支连接。第二、第四和第六压电双晶片(3、6、9)的右侧插入框架10侧框架内侧凹槽结构形成铰支连接，第二、第四和第六压电双晶片(3、6、9)的左侧与共质量块固支连接。从而形成了共质量块的三叠层阵列压电简支梁结构。
如图1(a)、图1(b)、图2(a)和图2(b)所示，本实施例中，叠层阵列简支梁压电振动能量收集器和所对比的纵向阵列简支梁压电振动能量收集器采用相同压电双晶片和质量块，其各部分尺寸如表1所示。
表1
符号 参数名称 数值
l<sub>p</sub> 压电双晶片长度 60mm
l<sub>m</sub> 质量块的长度 20mm
w<sub>m</sub> 质量块的宽度 20mm
t<sub>m</sub> 质量块的厚度 4mm
d<sub>s</sub> 限幅间距 6mm
本实施例叠层阵列简支梁压电振动能量收集器封装内部体积为：
V1＝wm(2lp+lm)(2ds+3tm)
对比的纵向阵列简支梁压电振动能量收集器封装内部体积为：
V2＝3wm(2lp+lm)(2ds+tm)
根据表1参数计算，第一种结构(即本实施例)体积V1＝67.2cm3,第二种结构(与本实施例对比的)体积V2＝134.4cm3,两者拥有相同质量和刚度，因此拥有相同谐振频率，两者拥有相同振幅，单次振动发电能量和发电功率相同，由于第一种结构体积更小，因此能量密度和功率密度高于第二种结构。
综上可以看出，本发明叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，由于简支梁横向振动占用限幅间距对于叠层是共享的，因此封装体积小，发电能量密度高。共用质量块的叠层阵列压电输出相位一致，可直接串联或并联，从而实现不同的输出电压，适应接口电路输入电压范围。

Claims (10)

1.一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，包括框架(10)、共质量块和压电双晶片，共质量块设置于框架(10)的轴心，共质量块上在其相对的两侧分别连接相同数量的压电双晶片，共质量块同一侧的压电双晶片分布于共质量块的不同厚度上，共质量块两侧的压电双晶片分别一一相对设置；压电双晶片的两端分别与共质量块和框架(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，压电双晶片与框架(10)之间铰支连接。
3.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，压电双晶片与共质量块之间固支连接。
4.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，框架(10)包括侧框架、上盖板和下盖板，上盖板和下盖板分别与侧框架的上端面和下端面连接，压电双晶片与侧框架连接，共质量块的两端与上盖板和下盖板之间均留有限幅间距。
5.根据权利要求4所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，所述限幅间距不大于压电双晶片的最大振幅。
6.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，所有的压电双晶片均相同。
7.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，共质量块同一侧的压电双晶片在共质量块的厚度方向上等间距分布。
8.根据权利要求1所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，所有压电双晶片的电流输出端串联或并联。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种叠层阵列简支梁压电振动能量收集器，其特征在于，共质量块包括若干分质量块，共质量块两侧的一一相对设置的一对压电双晶片连接于同一分质量块相对的两侧，所有的分质量块连接为一个整体形成所述共质量块。
10.一种能量收集方法，其特征在于，该能量收集方法采用权利要求1-9任意一项所述的叠层阵列简支梁压电振动能量收集器进行，包括如下过程：
当收到外界振动激励时，所有的压电双晶片一起进行同相位的谐振并输出电流，将压电双晶片输出的电流进行收集。
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