CN204167367U - 一种钹式压电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及道路建设技术领域，提供了一种钹式压电装置，埋置于道路路面下使用，包括多个压电转换器、金属模具和封装保护层，压电转换器为钹式压电转换器，各钹式压电转换器之间通过电学并联方式连接；全部钹式压电转换器固定于一金属模具中，钹式压电转换器的上金属帽端露于金属模具的上表面外；封装保护层充满金属模具与钹式压电转换器之间的缝隙且覆盖金属模具的上表面。本实用新型解决了将道路所经受的外力和振动转换成电能以及减少道路、压电装置在经受振动和重载下易损坏的问题。

Description

一种钹式压电装置

技术领域

本实用新型涉及道路建设技术领域，尤其涉及一种钹式压电装置，具体地是一种转换效率高并且适合埋置于道路内的钹式压电装置。

背景技术

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷这种现象称为正压电效应。

道路在设计使用期内,路面要承受车辆轴载的反复作用,从而产生形变和振动,若将合适的压电装置埋入沥青混凝土当中,则外力所产生的部分机械能可以被转换成电能,并可被进一步收集和利用。

将金属结构与压电陶瓷进行物理结合则结构振动可以和压电陶瓷振动进行耦合，提高换能器的转换效率。钹式换能器可以有效的利用路面行车所产生的剪切应力并将竖向应力分解为竖向和横向应力从而有效利用压电陶瓷的纵向和横向压电效应，因此钹式压电换能器具有较高的能量转换效率。

目前，关于道路自发电技术的发明及实际应用都很少，同济大学赵鸿铎等人曾采用有限元分析对比几种换能器结构，结果显示钹式换能器具有较高的能量转换效率及较好的刚度，但没有涉及到将其应用在道路振动能量压电发电的内容。西安交通大学的曹秉刚等人所发表过专利《利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统》简要介绍了利用公路振动发电的一套方法，但其并未详细介绍该系统中的压电装置。

因此，针对以上不足，需要提供一种适合于道路埋置的钹式压电装置。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种钹式压电装置，以解决将道路所经受的外力和振动转换成电能以及减少道路、压电装置在经受振动和重载下易损坏的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种钹式压电装置，埋置于道路路面下使用，包括多个压电转换器、金属模具和封装保护层，压电转换器为钹式压电转换器，各钹式压电转换器之间通过电学并联方式连接；全部钹式压电转换器固定于一金属模具中，钹式压电转换器的上金属帽端露于金属模具的上表面外；封装保护层充满金属模具与钹式压电转换器之间的缝隙且覆盖金属模具的上表面。

优选的，前述金属模具的上表面开设有若干桶状空腔，每个桶状空腔的直径大于钹式压电转换器的直径，钹式压电转换器依次设置于桶状空腔中。

优选的，前述封装保护层位于金属模具上表面的部分覆盖钹式压电转换器的上金属帽端的上表面。

优选的，前述金属模具上部设有金属板，所述金属板表面设有绝缘层，所述金属板固定于所述金属模具上表面的封装保护层外。

优选的，前述钹式压电转换器的压电元件的材质为锆钛酸铅。

优选的，前述钹式压电转换器的上、下金属帽端的材质为黄铜、磷青铜、玻青铜、钢板材料中的任意一种。

优选的，前述封装保护层的材质为环氧沥青、环氧树脂中的任意一种。

优选的，前述钹式压电转换器的上、下金属帽端与压电元件通过机械夹紧方式或粘合剂固定。

优选的，前述粘合剂的材质为AB胶、环氧导电胶中的任意一种。

优选的，前述机械夹紧方式为：在上、下金属帽端的空腔周围的金属边上设螺纹孔，螺纹孔中穿有带有绝缘套筒的预应力螺栓，预应力螺栓固定于压电元件上。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

1、本实用新型提供了一种钹式压电装置，将钹式压电转换器并联后放入金属模具中封装固定，可以有效吸收部分的道路所经受的外力和振动能量，并且将该能量转换成电能，因此可以减小路面变形，提高道路使用寿命。

2、本实用新型采用了钹式压电装置可以有效耦合压电陶瓷振动和金属结构振动，与单纯层叠装置相比，不但可以有效的利用压电材料的径向压电效应，并且可以提高纵向压电效应的转换效率，从而具有更高的转换效率。

3、本实用新型设有封装保护层，可以有效地保护压电元件、导线及焊接点免受尖锐集料的伤害，保护压电装置在重车载下不致爆裂；另外还可提高本实用新型的耐酸碱腐蚀和抗水损破坏的性能。

4、本实用新型的尺寸小、重量轻、共振频率低。

附图说明

图1是本实用新型实中钹式压电换能器的结构示意图；

图2是本实用新型实金属模具的结构示意图；

图3是本实用新型封装保护层的结构示意图。

图中：1：金属帽端；2：压电元件；3：导线；4：钹式压电转换器；5：金属模具；6：桶状空腔；7：封装保护层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供的一种钹式压电装置，埋置于道路路面下使用，包括压电转换器、金属模具5和封装保护层7，压电转换器为由压电元件2，上、下金属帽端1及正、负极导线3所制成的钹式压电转换器4，如图1所示。

上、下金属帽端1采用半径为20mm、厚度为15mm的黄铜材料制作，且关于压电元件2对称。上、下金属帽端1与压电元件2通过粘合剂AB胶固定。

压电元件2所采用的压电材料可以为压电单晶体、压电陶瓷或复合压电聚合物。由于压电陶瓷材料锆钛酸铅具有机械耦合系数高、压电系数高、机械品质因数高、居里温度高、工艺纯熟成本较低的优点。因此，压电元件2选择压电陶瓷类材料：半径为40mm、厚度为20mm的锆钛酸铅。

钹式压电转换器4数量不少于2个，各钹式压电转换器4之间通过电学并联方式连接，以增大输出功率；钹式压电转换器4通过金属模具5包裹固定，钹式压电转换器4的上金属帽端1露于金属模具5的上表面外且被封装保护层覆盖。

如图2所示，本实施例中的金属模具5的上表面以阵列方式规则的开有若干桶状空腔6，每个桶状空腔6的直径略大于钹式压电转换器4的直径，钹式压电转换器4依次设置于桶状空腔6中并且由其包裹固定，桶状空腔6与钹式压电转换器4的压电元件2之间留有空隙。

封装保护层采用环氧树脂进行封装，封装保护层，如图3所示，充满金属模具5与钹式压电转换器4之间的缝隙且覆盖金属模具5的上表面，封装保护层在金属模具5上表面的部分的厚度为刚好盖住钹式压电转换器4的上金属帽端1的上表面，封装保护层可以保护压电元件、导线及焊接点。

钹式压电转换器4的金属模具5上部设有金属板，金属板为钢板，钢板表面设有绝缘层，钢板固定于所述金属模具5上表面的封装保护层外，以保证受力均匀。

本实施例钹式压电装置的制作方法如下：

一、钹式压电转换器4的制作：

压电元件2采用半径40mm、厚度20mm的锆钛酸铅的压电陶瓷片,上、下金属帽1的半径为20mm、厚度为15mm。

(一)选用黄铜作为金属帽端的材料，采用冲压机将黄铜板中央冲压出一个毫米级的凸形金属空腔。

(二)采用10大气压的冲压模具，冲压模具的半径为20mm，按照90度顺时针旋转冲压金属空腔4次，形成变形均匀的金属帽端。

(三)用钢锉打磨金属帽端冲压时留下的粗毛边，并用砂纸进行精磨。

(四)将(三)的产品至于乙醇中浸泡一段时间以泡除附着的杂质。

(五)在上下金属帽端的边缘采用锡焊方式焊接并引出导线。

(六)为保证粘合强度，采用AB胶将压电陶瓷片与金属帽端粘合,上、下金属帽端关于压电陶瓷片对称，并且金属帽端粘接在压电陶瓷片两面，为保证导电性能，要特别注意AB胶粘合层的厚度不能太厚，为0.1-0.2mm即可。

(七)粘接后采用夹具夹紧，静置数小时成型。

二、钹式压电装置的制作：

(一)将各个钹式装置采用电学并联方式(导线正正相连，负负相连)排列于金属模具之内并固定。

(二)采用环氧树脂进行封装；其中环氧树脂包括A、B组分，A组分采用环氧树脂,B组分为环氧固化剂；

具体封装步骤如下：

1、将A、B组分在100℃下烘10min使其达到流动状态，取出分别搅拌均匀；

2、将A、B组分按照1：1.5的质量比混合后搅拌1min然后浇筑到金属模具中置放压电装置的周围空隙，上部刚好盖住金属帽端的顶部。

3、高温加热2-4小时至完全固化。

(三)在金属模具上部加一层涂抹绝缘材料的金属板，金属板与钹式装置的金属帽上端接触并固定。

实施例二

本实施例与实施例一大体相同，不同之处在于，钹式压电转换器的制作过程的步骤(六)中，当上、下金属帽端的空腔周围的金属边面积较大至可以设置螺纹孔的情况下，上、下金属帽端与压电陶瓷片的连接方式采用机械夹紧的方式固定，在金属边上设置螺纹孔，并将带有绝缘套筒的预应力螺栓插入螺纹孔中且固定于压电元件上。

使用时，将实施例中提供的钹式压电装置直接埋入需要使用的道路路面以下，连接电力转换设施及存储装置即可利用公路进行发电。当道路路面经受外力或者振动时，金属板受力并将所经受的力均匀的传递给金属帽端，压电元件受到机械力的作用产生压电效应，将该能量转化为电能，并由电极和导线将转化后的电能导出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钹式压电装置，埋置于道路路面下使用，其特征在于：包括多个压电转换器、金属模具和封装保护层，所述压电转换器为钹式压电转换器，所述各钹式压电转换器之间通过电学并联方式连接；所述全部钹式压电转换器固定于一金属模具中，所述钹式压电转换器的上金属帽端露于金属模具的上表面外；所述封装保护层充满所述金属模具与钹式压电转换器之间的缝隙且覆盖所述金属模具的上表面。

2.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述金属模具的上表面开设有若干桶状空腔，每个所述桶状空腔的直径大于钹式压电转换器的直径，所述钹式压电转换器依次设置于所述桶状空腔中。

3.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述封装保护层位于所述金属模具上表面的部分覆盖所述钹式压电转换器的上金属帽端的上表面。

4.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述金属模具上部设有金属板，所述金属板表面设有绝缘层，所述金属板固定于所述金属模具上表面的封装保护层外。

5.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述钹式压电转换器的压电元件的材质为锆钛酸铅。

6.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述钹式压电转换器的上、下金属帽端的材质为黄铜、磷青铜、玻青铜、钢板材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述封装保护层的材质为环氧沥青、环氧树脂中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的钹式压电装置，其特征在于：所述钹式压电转换器的上、下金属帽端与压电元件通过机械夹紧方式或粘合剂固定。

9.根据权利要求8所述的钹式压电装置，其特征在于：所述粘合剂的材质为AB胶、环氧导电胶中的任意一种。

10.根据权利要求8所述的钹式压电装置，其特征在于：所述机械夹紧方式为：在所述上、下金属帽端的空腔周围的金属边上设螺纹孔，所述螺纹孔中穿有带有绝缘套筒的预应力螺栓，所述预应力螺栓固定于所述压电元件上。