CN114785190A - 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 - Google Patents
一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114785190A CN114785190A CN202210115839.4A CN202210115839A CN114785190A CN 114785190 A CN114785190 A CN 114785190A CN 202210115839 A CN202210115839 A CN 202210115839A CN 114785190 A CN114785190 A CN 114785190A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- straight beam
- straight
- piezoelectric
- cylindrical
- piezoelectric layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 claims description 8
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract 2
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本发明提出一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，包括多段直梁和压电层构成的压电能量采集电路，所述压电能量采集电路中的多段直梁通过轮盘转角结构首尾相连，其中第一直梁的一端为固定端，最末一段直梁的尾端为自由端。用于解决现有技术中因能量收集频带和方向单一的技术问题。该Z型梁结构一端受到激励源振动时，直梁发生弯曲变形，引起压电层的弯曲变形，从而将振动能转化为电能。本发明结构由多段梁构成且铺设多段压电层，因此共振的模态频率集中，实现多个共振频率下的能量采集，有效的提高了能量采集的效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是涉及一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置。
背景技术
近年来，随着石油、煤炭等资源的日益减少，人类对能源的需求不断增加，能源问题已成为人类亟待解决的重要问题。从外部环境振动中获取能量是目前国内外研究热点之一，振动型能量采集器将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具有灵活、节能环保、可持续等优势，在航空航天、生物医疗、工业生产、交通监管、环境监测和军事侦查等领域均具有广阔的应用前景。压电式能量采集器因其功率密度高、设计灵活等特点，已成为重要的振动能量采集方式之一。
现有的压电式振动能量采集器一般只能在结构共振频率附近的能量采集效率较高，且工作频率单一。因此无法应用于复杂的工程环境进行能量采集。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，以实现多个共振频率下的低宽频带的能量采集，提高能量采集的效率。
为达到上述目的，本发明技术方案如下：
一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，包括：多段直梁和压电层构成的压电能量采集电路，所述压电能量采集电路中的多段直梁通过轮盘转角结构首尾相连，其中第一直梁的一端为固定端，最末一段直梁的尾端为自由端，当所述的第一直梁的固定端受到外激励振动时，将振动传递至其他多段直梁，固定在直梁上的压电层晶体会发生变形，由此产生电能。
所述的多段直梁包括第一直梁、第二直梁、第三直梁，第一直梁的起始端为固定约束，第一直梁末端具有两个圆柱形通孔环，通孔环的直径与销钉相同；第二直梁的起始端中部有一个圆柱形通孔环，与第一直梁的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉固定；第二直梁的末端具有两个与第一直梁末端相同的圆柱形通孔环，第三直梁的起始端中部有一圆柱通孔环，与第二直梁的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉固定；第三直梁的末端为自由端。
所述的压电层包括第一压电层，第二压电层，第三压电层；第一压电层平铺于第一直梁上下表面，第二压电层平铺于第二直梁上下表面，第三压电层平铺于第三直梁上下表面。
所述的轮盘转角结构包括销钉、螺母和圆盘；所述圆盘固定于直梁末端的两个圆柱形通孔的外侧，圆盘四周均匀分布通孔，螺母通过通孔固定在两端的圆盘上，两段直梁首尾的圆柱形通孔环对接后用销钉固定。所述的轮盘四周的通孔间距根据实际情况进行调整，以实现直梁之间的角度调节。
所述的多段直梁为铝合金材料，压电层为压电陶瓷PZT系列，销钉螺母为碳钢系列。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，具有多个共振模态频率下的能量采集特点，提高能量采集的带宽。
本发明提出的结构为悬臂式压电能量采集器，具有能量采集效率高，简单可行的特点。
本发明提出的结构通过轮盘可调节角度，实现结构自身共振频率的变化，适应不同工况下的能量采集特点。
本发明提出的结构为Z型梁结构，能对横向振动激励、纵向振动激励以及不用角度的平面内激励均具有良好的能量采集性能，适用于复杂工程环境中的振动能量采集。
附图说明
图1是本发明具体实施例的整体结构示意图。
图2是本发明第一、二、三直梁结构示意图。
图3是本发明的轮盘销钉结构示意图。
图4是本发明的能量采集电路示意图。
图5是本发明的能量采集电压结果仿真图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需附图做简单的地介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，包括：三段直梁和压电层构成的压电能量采集电路，所述压电能量采集电路中的三段直梁通过轮盘转角结构首尾相连，其中第一直梁的一端为固定端，第三直梁的尾端为自由端，当所述的第一直梁的固定端受到外激励振动时，将振动传递至其他直梁，固定在直梁上的压电层晶体会发生变形，由此产生电能。
如图2所示，所述的多段直梁包括第一直梁1、第二直梁2、第三直梁3，第一直梁1的起始端13为固定约束，第一直梁1末端具有两个圆柱形通孔环，通孔环的直径与销钉4相同；第二直梁2的起始端中部有一个圆柱形通孔环，与第一直梁1的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉4固定；第二直梁2的末端具有两个与第一直梁1末端相同的圆柱形通孔环，第三直梁3的起始端中部有一圆柱通孔环，与第二直梁2的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉4固定；第三直梁3的末端为自由端。
所述的压电层包括第一压电层10，第二压电层11，第三压电层12；第一压电层10平铺于第一直梁1上下表面，第二压电层11平铺于第二直梁2上下表面，第三压电层12平铺于第三直梁3上下表面。
如图3所示，所述的轮盘转角结构包括销钉4、螺母5和圆盘6；所述圆盘6固定于直梁末端的两个圆柱形通孔的外侧，圆盘6四周均匀分布通孔7，螺母5通过通孔7固定在两端的圆盘6上，两段直梁首尾的圆柱形通孔环对接后用销钉4固定。所述的轮盘6四周的通孔7间距根据实际情况进行调整，以实现直梁之间的角度调节。所述的多段直梁为铝合金材料，压电层为压电陶瓷PZT系列，销钉螺母为碳钢系列。
作为可选，本实施例的三段压电梁的电路，参照图4，第一、二、三直梁的压电层上下表面引出导线后并联接入负载，Z梁引出导线接地后并与负载连接。实现三段梁压电能量采集并联输出电能，可依据其他情况，连接不同电路，本实施例仅提供一种可行有效电路。
本实施中的各个压电层与对应直梁结构的表面连接，不与结构其他零件有任何连接。
本实施例的Z型结构压电式振动能量采集装置为三梁合一的一体化系统。通过三段梁的连接，与轮盘销钉的可变结构，实现高效的振动能量采集。当外部环境的激励频率发生变化时，通过调节轮盘和螺母的位置，实现结构本身固有频率的转变，适应外部环境激励，由此实现从低频到高频的能量采集。随着角度的变化，能量采集的振动频率会发生偏移变化，取一定参数，结果参照图5，实现多个共振频率下的能量采集。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，包括：多段直梁和压电层构成的压电能量采集电路，所述压电能量采集电路中的多段直梁通过轮盘转角结构首尾相连，其中第一直梁的一端为固定端，最末一段直梁的尾端为自由端，当所述的第一直梁的固定端受到外激励振动时，将振动传递至其他多段直梁，固定在直梁上的压电层晶体会发生变形，由此产生电能。
2.根据权利要求1所述的Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述的多段直梁包括第一直梁(1)、第二直梁(2)、第三直梁(3)，第一直梁(1)的起始端(13)为固定约束，第一直梁(1)末端具有两个圆柱形通孔环，通孔环的直径与销钉(4)相同；第二直梁(2)的起始端中部有一个圆柱形通孔环，与第一直梁(1)的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉(4)固定；第二直梁(2)的末端具有两个与第一直梁(1)末端相同的圆柱形通孔环，第三直梁(3)的起始端中部有一圆柱通孔环，与第二直梁(2)的末端两个圆柱形通孔环对接后用销钉(4)固定；第三直梁(3)的末端为自由端。
3.根据权利要求1所述的Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述的压电层包括第一压电层(10)，第二压电层(11)，第三压电层(12)；第一压电层(10)平铺于第一直梁(1)上下表面，第二压电层(11)平铺于第二直梁(2)上下表面，第三压电层(12)平铺于第三直梁(3)上下表面。
4.根据权利要求1所述的Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述的轮盘转角结构包括销钉(4)、螺母(5)和圆盘(6)；所述圆盘(6)固定于直梁末端的两个圆柱形通孔的外侧，圆盘(6)四周均匀分布通孔(7)，螺母(5)通过通孔(7)固定在两端的圆盘(6)上，两段直梁首尾的圆柱形通孔环对接后用销钉(4)固定。
5.根据权利要求4所述的Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述的轮盘(6)四周的通孔(7)间距根据实际情况进行调整，以实现直梁之间的角度调节。
6.根据权利要求1所述的Z型梁结构的压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述的多段直梁为铝合金材料，压电层为压电陶瓷PZT系列，销钉螺母为碳钢系列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210115839.4A CN114785190A (zh) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210115839.4A CN114785190A (zh) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114785190A true CN114785190A (zh) | 2022-07-22 |
Family
ID=82423263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210115839.4A Pending CN114785190A (zh) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114785190A (zh) |
-
2022
- 2022-02-07 CN CN202210115839.4A patent/CN114785190A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20160156287A1 (en) | Half-tube array vibration energy harvesting method using piezoelectric materials | |
| CN106374777B (zh) | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 | |
| CN114421810A (zh) | 一种锥形声子束型能量采集器 | |
| CN202978758U (zh) | 一种频率可控型压电发电装置 | |
| CN106341055A (zh) | 振动能量采集器 | |
| CN101917031A (zh) | 一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置 | |
| CN103414377A (zh) | 一种可调频旋转式压电发电装置 | |
| CN104184367A (zh) | 柱状多方向叠堆式压电能量采集装置 | |
| CN107623463A (zh) | 双稳态压电能量回收装置 | |
| CN114785190A (zh) | 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 | |
| CN112910312B (zh) | 风致振动的压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组 | |
| CN112260583B (zh) | 一种应用于旋转环境的自调频振动能量收集装置 | |
| US12047020B2 (en) | Box-type wind power generation device and power generation device set | |
| CN112865604A (zh) | 一种具有宽工作范围的低阻尼驰振式压电风能采集器 | |
| CN209472569U (zh) | 一种附带质量框的组合式压电俘能器装置 | |
| CN207573264U (zh) | 一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置 | |
| CN111458013A (zh) | 一种平台隔振用压电纤维复合材料传感装置 | |
| CN111641351B (zh) | 一种宽频能量采集的涡振压电发电装置 | |
| CN111064385B (zh) | 一种低频、多方向振动的能量收集装置 | |
| CN114649977B (zh) | 应用于轨道列车的宽频响应元件 | |
| Qi et al. | Research on optimization of piezoelectric composite cantilever beam structure | |
| CN110601599A (zh) | 基于悬臂梁的宽频带压电能量收集器 | |
| CN216851789U (zh) | 磁耦合双自由度双稳态压电振动能量俘获装置 | |
| CN113162475A (zh) | 基于牛顿摆式颗粒链结构的压电俘能器及俘能方法 | |
| CN106100446A (zh) | 一种基于核壳pvdf阵列的海浪发电装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |