CN203423635U - 自维持钹式压电发电装置 - Google Patents
自维持钹式压电发电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN203423635U CN203423635U CN201320560543.XU CN201320560543U CN203423635U CN 203423635 U CN203423635 U CN 203423635U CN 201320560543 U CN201320560543 U CN 201320560543U CN 203423635 U CN203423635 U CN 203423635U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric stack
- spring
- cymbals formula
- formula piezoelectric
- cymbals
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 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
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本实用新型设计电子技术与压电材料能量转化与收集技术领域，尤其涉及一种高承载的、能有效收集低频振动能量和冲击能量的自维持钹式压电发电装置。包括密闭外壳，所述外壳内腔两端分别设置有第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆的电极分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆之间还设置有机械能量收集与传递装置，所述机械能量收集与传递装置能够将收集到的机械能量传递给第一钹式压电叠堆或第二钹式压电叠堆。本实用新型可用为各种无人值守传感器提供电源。
Description
技术领域
本发明设计电子技术与压电材料能量转化与收集技术领域，尤其涉及一种高承载的、能有效收集低频振动能量和冲击能量的自维持钹式压电发电装置。
背景技术
无线传感器是传感器网络的基本组成部分，由于其体积微小，自身携带的电池能量有限，而且无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点，很难通过更换电池的方式获取能量。可见，传统供电方式已经逐渐成为制约无线传感器网络技术发展的一个重要因素，新型供电技术研究势在必行。
由于无线传感器在工作环境中主要存在的是低频振动、非连续冲击能等机械能量，而压电材料能够利用本身的正压电效应直接将机械能转换为电能，所以可以将压电材料设计成压电发电装置为无线传感器供电。同时，压电发电装置具有激活速度快、环境适应性强、长期储存性能好、结构简单、易实现小型化、成本低廉等特点，可见，压电发电装置非常适合作为专用物理电源使用。近年来，压电发电技术由于其自身的优点，在嵌入式MEMS、收集环境能等方面呈现出广阔的应用潜力。而随着材料技术发展尤其是压电材料压电系数的大幅提升，以及微功耗电子元器件的广泛应用，使得压电发电装置的设计与研制逐渐成为一个热点研究方向。
然而，现有压电发电装置仍然普遍存在发电量小、供电时间短等缺点，导致难以真正实现其持续供电的能力。分析主要原因是由于其发电单元压电换能器的机电转换效率是有限的，且现有压电发电装置的发电方式是通过外部机械载荷一次性作用于压电换能器以使其产生电能，外部载荷的瞬时性增加了压电换能器机电转换及电能收集管理的难度，从而进一步降低了压电发电装置的机电转换能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自维持钹式压电发电装置，该装置能够实现持续供电的需求。
为了实现上述技术问题，本发明包括密闭外壳，所述外壳内腔两端分别设置有第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆的电极分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆之间还设置有机械能量收集与传递装置，所述机械能量收集与传递装置能够将收集到的机械能量传递给第一钹式压电叠堆与第二钹式压电叠堆。
优选地，所述机械能量收集与传递装置包括设置在第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆之间的弹簧，所述弹簧的两端分别与第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆固定连接，所述弹簧与外壳内壁之间间隙配合，所述弹簧还与质量块固定连接，构成弹簧-质量块组件。
进一步，所述质量块的侧面周向设置有凸台，所述弹簧包括第一单元弹簧和第二单元弹簧，所述第一单元弹簧和第二单元弹簧一端分别与凸台的两个端面固定连接。
进一步，所述外壳内壁的中部周向设置有凹槽，所述凸台位于凹槽内，所述凹槽的开口宽度大于2倍凸台厚度。
本发明在传统压电换能器的基础上增加了以弹簧-质量块组件为核心的机械能量收集与传递机构，它可以将工作环境中存在的外部机械载荷转换为弹簧-质量块组件的自维持振动能量形式，从而延长了机械载荷的持续效果并相应延长了压电换能器维持机电转换的时间，提高了外部机械能量的收集效率。同时设计了钹式压电叠堆结构以进一步提高发电单元的机电转换效率，最终在很大程度上延长了压电发电装置的供电时间。
附图说明
图1是自维持钹式压电发电装置结构图；
图2是弹簧-质量块组件结构图；
图3是钹式压电阵列结构示意图；
图4是并联钹式压电叠堆结构示意图；
图5是单层钹式压电元件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明，所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对发明保护范围的限定，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和思想的前提下，还可对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围。
如图1所示，本发明包括圆筒形密闭外壳1，所述外壳1内腔两端分别设置有第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22，所述第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22的电极分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22之间还设置有机械能量收集与传递装置。作为本发明的优选实施例，所述机械能量收集与传递装置包括设置在第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22之间的弹簧3，所述弹簧3的两端分别与第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22固定连接，所述弹簧3与外壳1内壁之间间隙配合，确保弹簧沿外壳的轴线方向运动。为了更好的收集外界能量，所述弹簧3还与质量块4连接，构成弹簧-质量块组件6。自维持钹式压电发电装置利用弹簧-质量块组件6将外部能量转换为振动形式的机械能，再由钹式压电叠堆2逐步收集这部分能量并产生持续的电能输出。其中，质量块4的作用是为了增强对钹式压电叠堆2的载荷效果以及调整弹簧-质量块组件6的等效质量。弹簧3则是弹簧-质量块6组件实现预期功能的关键元件，其参数更为重要也较为复杂。进行弹簧参数计算时，一般给出最大工作载荷和所对应的形变量，但是本发明中需要进行弹簧-质量块组件6与钹式压电叠堆2的匹配设计，所以必须首先确定弹簧3的刚度系数与最大形变量（当弹簧承受过载荷时，结构设计中的保护机构将限制弹簧进一步变形）。可见，弹簧-质量块组件6是实现自维持供电特性的重要机构，其设计将在很大程度上影响到该发电装置的性能指标。
如图2所示，为了便于弹簧3和质量块4的连接，所述质量块4的侧面周向设置有凸台41，所述弹簧3包括第一单元弹簧31和第二单元弹簧32，所述第一单元弹簧31和第二单元弹簧32一端分别与凸台41的两个端面连接。
所述第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆21的结构相同，如图3所示，所述第一压电阵列21由若干单层钹式阵元211的金属端帽2111顶部端面之间依次用导电胶粘结层212紧密黏结而成，令相邻单层钹式阵元211中压电片的极化方向相反，从压电陶瓷2112的电极方向可以看到它们在电气上属于并联联接，这种联接方式也导致了钹式压电叠堆正电极和负电极的形成。需要注意的是，在用导电胶黏结固定的环节中，由于需要将多个单层钹式阵元211叠加黏结在一起，所以必须保证整体装配时的同轴度，使单层钹式阵元211能够保持在其正确的位置而不会发生偏移或偏转等状况。
从图4可以看到单层钹式压电阵元211由金属端帽2111与压电陶瓷2112通过粘结层2113粘结而成，它在承受压力的时候能够同时集合d33和d31压电效应，在压电陶瓷2112上下表面形成电荷分布。可见，通过上述方法，自维持钹式压电发电装置将工作环境中的外部机械载荷过度为弹簧-质量块组件的自维持振动能量，以交变作用力的方式逐步加载给钹式压电叠堆，不仅延长了钹式压电叠堆维持进行机电转换的时间，而且提高了自身的抗过载能力。
如图1所示，为了限制了弹簧-质量块组件6的最大振幅，从而防止过载状态下钹式压电叠堆被压坏，所述外壳1内壁的中部周向设置有凹槽11，所述凸台41位于凹槽11内，所述凹槽11的开口宽度大于2倍凸台41的厚度。
为了进一步提高自维持钹式压电发电装置的机电转换效率，延长持续供电时间，如图5所示，外壳内腔两端可以均匀设置若干组钹式压电叠堆，从而形成钹式压电阵列。这种阵列结构不仅减小了单个压电叠堆的极面面积，而且增加了压电叠堆的总数量，成倍的提高了压电结构的发电能力，同时也增大了整体结构的受力面积，提高了压电组件的抗过载能力。由于并联阵列具有较大的电容量，更进一步提高了电能输出能力；
如图1所示，为了使叠堆的受力更为均匀，所述第一钹式压电叠堆21和第二钹式压电叠堆22靠近弹簧3的一面分别设置有刚性垫片5，所述弹簧3的两端分别与垫片5固定连接。
下面介绍下本发明的工作原理：
带有自维持钹式压电发电装置的无线传感器安装在浮桥或其他装备的关键监测部位，浮桥在架设、通载及撤收过程中都将在无线传感器工作环境中产生非连续冲击、低频振动等机械能量，而在机械载荷作用下，自维持钹式压电发电装置中的弹簧-质量块组件将离开平衡位置。此时，弹簧元件将首次对钹式压电叠堆施加载荷，钹式压电叠堆则由于压电效应将机械能转换为电能并通过电能收集与管理电路进行存储或供电，实现了发电装置的快速激活性；弹簧-质量块组件同时将一部分外部机械能量储存为弹簧形变势能，弹簧-质量块组件随后将进行自由振动，致使弹簧元件进一步对钹式压电叠堆施加重复载荷，弹簧-质量块组件停止运动之前，钹式压电叠堆通过收集这部分振动能而产生持续的电能输出。通过上述方法，自维持压电发电装置将无线传感器工作环境中的外部机械能转换为弹簧形变势能，在弹簧-质量块组件的振动过程中产生交变作用力并逐步加载给钹式压电叠堆，而不是将外部载荷一次性作用在压电发电单元上。可见，自维持钹式压电发电装置能够延长外部机械载荷对钹式压电叠堆的作用时间，即延长了钹式压电叠堆机械能转化为电能的时间，提高了机电转换效率，并最终延长了持续供电时间。
Claims (4)
1.自维持钹式压电发电装置，包括密闭外壳（1），所述外壳（1）内腔两端分别设置有第一钹式压电叠堆（21）和第二钹式压电叠堆（22），所述第一钹式压电叠堆（21）和第二钹式压电叠堆（22）的电极分别与设置在外壳上的输出电极连接，其特征在于，所述第一钹式压电叠堆（21）和第二钹式压电叠堆（22）之间还设置有机械能量收集与传递装置，所述机械能量收集与传递装置能够将收集到的机械能量传递给第一钹式压电叠堆（21）或第二钹式压电叠堆（22）。
2.根据权利要求1所述的自维持钹式压电发电装置，其特征在于，所述机械能量收集与传递装置包括设置在第一钹式压电叠堆（21）和第二钹式压电叠堆（22）之间的弹簧（3），所述弹簧（3）的两端分别与第一钹式压电叠堆（21）和第二钹式压电叠堆（22）固定连接，所述弹簧（3）与外壳（1）内壁之间间隙配合，所述弹簧（3）还与质量块（4）连接，构成弹簧-质量块组件（6）。
3.根据权利要求2所述的自维持钹式压电发电装置，其特征在于，所述质量块（4）的侧面周向设置有凸台（41），所述弹簧（3）包括第一单元弹簧（31）和第二单元弹簧（32），所述第一单元弹簧（31）和第二单元弹簧（32）一端分别与凸台（41）的两个端面固定连接。
4.根据权利要求3所述的自维持钹式压电发电装置，其特征在于，所述外壳（1）内壁的中部周向设置有凹槽（11），所述凸台（41）位于凹槽（11）内，所述凹槽（11）的开口宽度大于2倍凸台（41）的厚度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320560543.XU CN203423635U (zh) | 2013-09-11 | 2013-09-11 | 自维持钹式压电发电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320560543.XU CN203423635U (zh) | 2013-09-11 | 2013-09-11 | 自维持钹式压电发电装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203423635U true CN203423635U (zh) | 2014-02-05 |
Family
ID=50022724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201320560543.XU Expired - Fee Related CN203423635U (zh) | 2013-09-11 | 2013-09-11 | 自维持钹式压电发电装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN203423635U (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107238730A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-10-10 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 | 一种压电式高频振动台 |
| CN111641351A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-09-08 | 扬州大学 | 一种宽频能量采集的涡振压电发电装置 |
| CN113114069A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-07-13 | 长沙理工大学 | 一种轨道振动能量回收装置 |
| CN114050739A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种矩形钹鼓复合叠堆压电俘能器 |
| CN114123859A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种钹形和叠堆复合双量程压电叠堆俘能器 |
-
2013
- 2013-09-11 CN CN201320560543.XU patent/CN203423635U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107238730A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-10-10 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 | 一种压电式高频振动台 |
| CN107238730B (zh) * | 2017-04-28 | 2023-08-25 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 | 一种压电式高频振动台 |
| CN111641351A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-09-08 | 扬州大学 | 一种宽频能量采集的涡振压电发电装置 |
| CN111641351B (zh) * | 2020-05-18 | 2022-03-25 | 扬州大学 | 一种宽频能量采集的涡振压电发电装置 |
| CN113114069A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-07-13 | 长沙理工大学 | 一种轨道振动能量回收装置 |
| CN114050739A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种矩形钹鼓复合叠堆压电俘能器 |
| CN114123859A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种钹形和叠堆复合双量程压电叠堆俘能器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN204271949U (zh) | 浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源 | |
| CN203423635U (zh) | 自维持钹式压电发电装置 | |
| CN201054553Y (zh) | 基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置 | |
| US20080252174A1 (en) | Energy harvesting from multiple piezoelectric sources | |
| CN101257266A (zh) | 硅基压电悬臂梁式微型发电装置 | |
| CN201904739U (zh) | 压电振动电池装置 | |
| CN102684552B (zh) | 一种多振子串联式压电俘能器 | |
| CN106787944B (zh) | 一种压电传感器 | |
| CN101272109A (zh) | 一种宽频带压电振动发电装置 | |
| CN101854130B (zh) | 一种力-电换能器及其阵列 | |
| CN105897047A (zh) | 一种将连续位移转变为冲击载荷的梳子俘能器 | |
| CN106374777A (zh) | 一种s型压电悬臂梁振动能量采集器 | |
| CN107086649A (zh) | 一种电磁压电复合式波浪能收集装置 | |
| CN104660099A (zh) | 一种音叉式压电谐振腔风能发电装置 | |
| CN101694400A (zh) | 一种具有自供电功能的电子人体秤 | |
| CN112072952A (zh) | 一种双谐振式低频延伸振动发电装置和方法 | |
| CN101728974B (zh) | 多层梁式压电发电机及其发电方法 | |
| CN203151398U (zh) | 一种柱状多方向压电发电装置 | |
| CN109150009A (zh) | 一种压电自发电纽扣电池 | |
| CN201828328U (zh) | 一种具有自供电功能的电子人体秤 | |
| CN204886744U (zh) | 浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置 | |
| CN205792301U (zh) | 一种筒式机械能采能发电装置 | |
| CN210075112U (zh) | 一种层状磁电复合材料俘能器 | |
| Asthana et al. | Design and analysis of slotted cantilever structure for piezoelectric energy harvesting | |
| Chhabra et al. | Study of PEH configurations & circuitary and techniques for improving PEH efficiency |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140205 |