CN113938055A - 基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器 - Google Patents

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CN113938055A CN202111238350.8A CN202111238350A CN113938055A CN 113938055 A CN113938055 A CN 113938055A CN 202111238350 A CN202111238350 A CN 202111238350A CN 113938055 A CN113938055 A CN 113938055A
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胡捷
肖志锋
黎波
刘仁鑫
段武茂
肖怀国
冶竣峰
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Abstract

本发明公开了一种基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：由环形支架、质量块、两条螺旋形曲线弹性梁、多片PZT压电薄膜组成。两条螺旋形曲线弹性梁和质量块组成第一螺旋形曲线弹性梁—质量块—第二螺旋形曲线弹性梁的首尾相连结构，采用以质量块的圆心为中心，第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁中心对称的排布方式。本发明能够收集三维空间上各个方向的振动能量，包括X、Y、Z方向的线振动以及绕Z、X轴的角振动；同时，本发明结构简单，制造成本低，易于通过MEMS工艺实现产品的微型化与集成化，由此制备的压电振动能量收集器具备获取空间任意方向上振动能量收集的特点和更高的能量采集效率。

Description

基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器
技术领域：
本发明涉及一种基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，属于压电能量收集技术领域及智能材料与结构领域。
背景技术：
振动能量收集器通过智能材料及其结构作为感知元件，将采集周围环境中释放的振动机械能转换为电能，实现环境能量的高效利用。整个转换的过程中安全、无污染，因此振动能量收集技术被认为是非常有潜力替代传统电池为无线电子设备供能的绿色能源技术。
振动能量收集技术中最典型结构为自由端加质量块的悬臂梁结构，该结构只能在单方向上发生振动，因此仅仅依赖悬臂梁结构只能实现单向的振动能量收集。但是在实际的应用环境中，普遍存在的振动激励是多方向的，传统的悬臂梁结构很难发挥作用。为此，研究人员提出了不同的基于悬臂梁为基础的新结构来实现多方向振动能量收集，这类器件可概括为一种结构是空间多维阵列悬臂梁压电能量收集装置(如中国专利申请号：201911420965.5；中国专利公开号：CN 111049426 A；中国专利公开号：CN 108390589 A)，虽然可实现多方向的振动能量收集，但是多悬臂梁阵列排布方式无疑增加了器件结构的空间复杂度，难以进行能量收集器的微型化与集成化。环境中的振动形式由多维线振动和多维角振动(扭转振动)构成。单个悬臂梁或单个两端固支梁结构虽然结构简单，但是只能实现平面多个方向上的线振动(如中国专利公开号：CN 110518833 A；中国专利申请号：201510850660.3)，无法同时实现空间上的线振动和角振动的能量收集。将悬臂梁设计成一定的弧形可吸收顶面和侧面的线振动(如中国专利公开号：CN 107947635 A)，但是在一定的外加载荷下，其输出电势小，且结构不对称易引起稳定性和频率间距较大的问题。若能运用悬臂梁振动能量收集器的设计理念对传统的单个双端固支梁进行结构创新设计。这样不仅能实现低频、任意方向上的振动能量收集目的，大大减小了整个驱动系统的质量和复杂程度，同时单根悬臂梁或两端固支梁的设计大大减小了器件结构的空间复杂度，满足能量收集器的微型化与集成化。
发明内容：
针对目前环境振动能量收集器的设计难以同时满足低频、多方向的振动能量收集，以及器件结构的极简化要求。本发明提出了一种基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其中的两条螺旋形曲线弹性梁和质量块组成中心对称的双端固支梁结构，可有效的收集三维空间上各个方向的振动能量，包括X、Y、Z方向的线振动以及绕Z、X轴的角振动。
本发明所采用的技术方案有：一种基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，由环形支架、质量块、两条螺旋形曲线弹性梁、多片PZT压电薄膜组成，两条所述螺旋形曲线弹性梁分别为第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁，两条螺旋形曲线弹性梁和质量块组成第一螺旋形曲线弹性梁—质量块—第二螺旋形曲线弹性梁首尾相连结构，以所述质量块的圆心为中心，第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁中心对称，所述环形支架内设有质量块和两条螺旋形曲线弹性梁，质量块与环形支架形成同心圆，第一螺旋形曲线弹性梁一端、第二螺旋形曲线弹性梁一端分别与环形支架相连，形成两端固支梁结构。
进一步地，所述第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁的尺寸和形状完全相同，形状采用阿基米德螺线。
进一步地，所述螺旋形曲线弹性梁展开后为平面长方形薄板结构。
进一步地，多片PZT压电薄膜或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的外周面上，或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的内周面上。
进一步地，所述环形支架、质量块、两条螺旋形曲线弹性梁均采用磷青铜制作。
进一步地，所述质量块的形状为圆柱。
本发明具有如下有益效果：
(1).仿人体耳蜗螺旋结构对低频振动敏感的特点，设计了螺旋形曲线弹性梁，可实现环境中低频振动(振动频率小于100Hz)的能量收集。
(2).螺旋形曲线弹性梁A—质量块—螺旋形曲线弹性梁形成的中心对称的两端固梁结构，可有效的收集三维空间上各个方向的振动能量，包括X、Y、Z方向的线振动以及绕Z、X轴的角振动。
(3).该能量收集器中的主体振动部分仅为单根两端固支梁的变形结构，结构简易，制造成本低，易于通过MEMS工艺实现产品的微型化与集成化。
(4).该能量收集器中中心对称结构的设计，提高了能量和空间利用率，同时减小了多阶共振频率的数值和频率间的间隔，弥补了压电能量收集器对低频环境中振动利用率低的缺陷。
附图说明：
图1为基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器的结构示意图。
图2为基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器的俯视图。
图3为基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器的左视图。
图4为螺旋形曲线弹性压电梁的正视图。
图5为螺旋形曲线弹性压电梁的左视图。
图6为基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器的应变与频率关系图。
其中：
1-环形支架，2-质量块，3-螺旋形曲线弹性梁，4-PZT压电薄膜。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参照图1至图5所示，本发明基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，由环形支架1、质量块2、两条螺旋形曲线弹性梁3、多片PZT压电薄膜4组成。其中两条螺旋形曲线弹性梁3分别为第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁。两条螺旋形曲线弹性梁3和质量块2组成第一螺旋形曲线弹性梁—质量块2—第二螺旋形曲线弹性梁首尾相连结构，其排布方式为：以质量块2的圆心为中心，第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁中心对称。环形支架1内设有质量块2和两条螺旋形曲线弹性梁3，质量块2与环形支架1形成同心圆，第一螺旋形曲线弹性梁一端、第二螺旋形曲线弹性梁一端分别与环形支架1相连，形成两端固支梁结构。
其中第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁的尺寸和形状完全相同，形状采用阿基米德螺线。螺旋形曲线弹性梁展开后为平面长方形薄板结构。
其中多片PZT压电薄膜4或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的外周面上，或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的内周面上。
其中环形支架1、质量块2、两条螺旋形曲线弹性梁3均采用磷青铜制作。质量块2的形状为圆柱。
具体地设计尺寸和材料可参考如下：例如，环形支架1的外径L1＝23mm，内径L2＝21mm，宽W1＝2mm；质量块2的直径D＝4.5mm，高度W＝3mm；螺旋形曲线弹性梁3展开后的平面长方形薄板的长L3＝26mm，宽度W3＝2mm。其中压电层的材料为柔性PZT压电薄膜4，长度L4＝7mm，宽度W4＝2mm，厚度t＝50μm，压电系数d33＝180×10-12C/N。环形支架1、质量块2、两条螺旋形曲线弹性梁3均采用弹性性能更优的磷青铜材料。
参照图6所示，图6为基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器的应变与频率关系图。图中横坐标表示频率，纵坐标表示应力。由图可知，前5阶谐振频率间距非常小，均在100Hz一下，其中包括：
1)f1＝23Hz，此为X方向的线振动；
2)f2＝38Hz，此为Z方向的线振动；
3)f3＝46Hz，此为Y方向的线振动；
4)f4＝67Hz，此为绕Z轴的角振动(扭转振动)；
5)f5＝88Hz，此为绕Y轴的角振动(扭转振动)。
由于自然环境中产生的振动频率大部分都小于100Hz，同时本发明以最简约的创新设计结构可有效的收集三维空间上各个方向的振动能量。因此，本发明的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器具有结构简易，制造成本低，易于通过MEMS工艺实现产品的微型化与集成化；同时该能量收集器中中心对称结构的设计，可提高了能量和空间利用率，同时减小了多阶共振频率的数值和频率间的间隔，弥补了压电能量收集器对低频环境中振动利用率低的缺陷，研究和应用价值均高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：由环形支架(1)、质量块(2)、两条螺旋形曲线弹性梁(3)、多片PZT压电薄膜(4)组成，两条所述螺旋形曲线弹性梁(3)分别为第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁，两条螺旋形曲线弹性梁(3)和质量块(2)组成第一螺旋形曲线弹性梁—质量块(2)—第二螺旋形曲线弹性梁首尾相连结构，以所述质量块(2)的圆心为中心，第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁中心对称，所述环形支架(1)内设有质量块(2)和两条螺旋形曲线弹性梁(3)，质量块(2)与环形支架(1)形成同心圆，第一螺旋形曲线弹性梁一端、第二螺旋形曲线弹性梁一端分别与环形支架(1)相连，形成两端固支梁结构。
2.如权利要求1所述的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：所述第一螺旋形曲线弹性梁和第二螺旋形曲线弹性梁的尺寸和形状完全相同，形状采用阿基米德螺线。
3.如权利要求2所述的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：所述螺旋形曲线弹性梁(2)展开后为平面长方形薄板结构。
4.如权利要求3所述的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：多片PZT压电薄膜(4)或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的外周面上，或者粘贴在第一螺旋形曲线弹性梁、第二螺旋形曲线弹性梁两端的内周面上。
5.如权利要求4所述的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：所述环形支架(1)、质量块(2)、两条螺旋形曲线弹性梁(3)均采用磷青铜制作。
6.如权利要求5所述的基于中心对称曲线压电梁的低频多维振动能量收集器，其特征在于：所述质量块(2)的形状为圆柱。
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