CN208316599U - 一种多自由度圆弧型压电能量收集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示一种多自由度圆弧型压电能量收集器，该压电能量收集器包括第一层悬臂梁、第二层悬臂梁和第三层悬臂梁，第一层悬臂梁与第二层悬臂梁呈中心对称；第二层悬臂梁与第三层悬臂梁呈中心对称构成弹簧状。第一层悬臂梁包括第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片，第一圆弧型薄片的一端连接有第一正方形薄片，第一正方形薄片的另一端连接第二圆弧型薄片，第二圆弧型薄片的另一端连接第二正方形薄片，第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上分别附着有第一压电层和第二压电层。该多自由度圆弧型压电能量收集器一阶谐振频率较低，频率间距较短，能够三维方向上吸收能量，且具有易于集成化、微型化等优点。

Description

一种多自由度圆弧型压电能量收集器

技术领域

本实用新型涉及一种多自由度圆弧型压电能量收集器，属于能量收集技术领域。

背景技术

压电能量收集器基于压电材料的压电效应，在环境振动的激励下，器件中的压电层产生应变，在表面产生极化电荷，从而将环境振动的机械能转换成所需要的电能。目前常用的压电式能量收集器通常为直型结构，在该结构下虽然可以起到能量收集的作用，但是实验表明可收集的能量频率范围较小，输出电势较低。除此之外，直型结构的压电能量收集器还有稳定性低、空间利用率少等一系列缺陷。

传统的单圆弧压电式能量收集器通过将悬臂梁设计为一定弧形，在特定的弧度下输出高电势，不仅可以吸收顶面的振动能量，还可以吸收侧面方向的振动能量。传统的高性能圆弧型压电能量收集器虽然在一定弧度下可以将载荷转化为电能输出，但是在一定的外加载荷下，它的输出电势明显较小，能量和空间利用率较低，且结构不对称容易引起稳定性问题。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种多自由度圆弧型压电能量收集器，该结构具有谐振频率低，多阶带宽短等优点，能够在三维方向上吸收能量。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种多自由度圆弧型压电能量收集器，包括第一层悬臂梁、第二层悬臂梁和第三层悬臂梁，第一层悬臂梁与第二层悬臂梁呈中心对称；第二层悬臂梁与第三层悬臂梁呈中心对称构成弹簧状。

优选地，所述第一层悬臂梁包括第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片的一端连接有第一正方形薄片，所述第一正方形薄片的另一端连接第二圆弧型薄片，第二圆弧型薄片的另一端连接第二正方形薄片，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上分别附着有第一压电层和第二压电层。

优选地，所述第一正方形薄片上设置有第一质量块，所述第二正方形薄片上设置有第二质量块。

优选地，所述第二层悬臂梁包括第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片的一端连接有第三正方形薄片，所述第三圆弧型薄片的另一端连接有第四正方形薄片，所述第四正方形薄片的另一端连接第四圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片上分别附着有第三压电层和第四压电层，所述第二质量块上方附着设置有第五正方形薄片，所述第五正方形薄片用于连接第二层悬臂梁，所述第三正方形薄片上设置有第三质量块，所述第四正方形薄片上设置有第四质量块。

优选地， 所述第三质量块上附着设置有第六正方形薄片，所述第六正方形薄片用于连接第三层悬臂梁，所述第三层悬臂梁包括第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片，所述第六圆弧型薄片的一端连接有第六正方形薄片，所述第六正方形薄片的另一端连接第七圆弧型薄片，第七圆弧型薄片的另一端连接第七正方形薄片，所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片上分别附着有第六压电层和第七压电层。

优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。

优选地，所述圆弧形薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，圆弧度为90度。

优选地，所述压电层为PZT-5H。

优选地，所述压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

优选地，所述质量块采用镍材料制成，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

该多自由度圆弧型压电能量收集器一阶谐振频率较低，频率间距较短，能够三维方向上吸收能量，且具有易于集成化、微型化等优点。

该多自由度圆弧压电能量收集器与单/双自由度圆弧型压电能量收集器相比，激励作用在质量块的正面、侧面和顶面，从而实现三维方向上收集能量，有效地提高了空间利用率，进而提高了本技术方案作为压电集成芯片的集成单元小模块的集成度，且输出电压较高。

该多自由度圆弧压电能量收集器与单/双自由度圆弧型压电能量收集器相比，一阶谐振频率更低，有效工作频带带宽大幅度提高，多阶带宽较短，因此，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

该多自由度圆弧压电能量收集器与单/双自由度圆弧型压电能量收集器相比，由多个90°圆弧型悬臂梁构成“弹簧”型，结构新颖，灵敏度较高。

附图说明

图1是本实用新型的一种多自由度圆弧压电能量收集器的侧视图。

图2是本实用新型的多自由度圆弧压电能量收集器的结构示意图。

图3是本实用新型的多自由度圆弧压电能量收集器的俯视图。

图4是双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。

图5是双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。

图6是本实用新型的多自由度圆弧压电能量收集器的x方向电势与频率关系图。

图7是本实用新型的多自由度圆弧压电能量收集器的y方向电势与频率关系图。

图8是本实用新型的多自由度圆弧压电能量收集器的z方向电势与频率关系图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

本实用新型揭示了一种多自由度圆弧型压电能量收集器，如图1和图2和图3所示，该压电能量收集器包括第一层悬臂梁1、第二层悬臂梁2和第三层悬臂梁3，第一层悬臂梁与第二层悬臂梁呈中心对称；第二层悬臂梁与第三层悬臂梁呈中心对称构成弹簧状。每层悬臂梁层由两个完全一样的90°圆弧型薄片组成，压电层，附着在圆弧型薄片上，质量块，附着在正方形薄片上。第一层悬臂梁1、第二层悬臂梁2和第三层悬臂梁3均采用磷青铜材料制成。

具体地，如图2所示，所述第一层悬臂梁1包括第一圆弧型薄片11和第二圆弧型薄片12，所述第一圆弧型薄片的一端连接有第一正方形薄片13，所述第一正方形薄片的另一端连接第二圆弧型薄片12，第二圆弧型薄片的另一端连接第二正方形薄片14，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上分别附着有第一压电层111和第二压电层121，所述第一压电层111和第二压电层121为PZT-5H，所述第一压电层111和第二压电层121的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

所述第一正方形薄片上设置有第一质量块131，所述第二正方形薄片上设置有第二质量块141，所述第一质量块和第二质量块采用镍材料制成，所述第六质量块和第七质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。在本技术方案中，所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片的内径Ra为20mm、外径Rb为30mm，厚度Hp为0.5mm，圆弧度为90度。

所述第二层悬臂梁2包括第三圆弧型薄片20和第四圆弧型薄片21，所述第三圆弧型薄片的一端连接有第三正方形薄片100，所述第三圆弧型薄片的另一端连接有第四正方形薄片200，所述第四正方形薄片的另一端连接第四圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片20和第四圆弧型薄片21上分别附着有第三压电层和第四压电层，所述第三压电层和第四压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

所述第二质量块141上方附着设置有第五正方形薄片300，所述第五正方形薄片用于连接第二层悬臂梁2，所述第三正方形薄片100上设置有第三质量块101，所述第四正方形薄片上设置有第四质量块，在本技术方案中，所述第三圆弧型薄片和第四圆弧型薄片的内径Ra为20mm、外径Rb为30mm，厚度Hp为0.5mm，圆弧度为90度。所述第三质量块和第四质量块采用镍材料制成，所述第六质量块和第七质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。

所述第三质量块上附着设置有第六正方形薄片400，所述第六正方形薄片400用于连接第三层悬臂梁3，所述第三层悬臂梁3包括第六圆弧型薄片31和第七圆弧型薄片，在本技术方案中，所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片的内径Ra为20mm、外径Rb为30mm，厚度Hp为0.5mm，圆弧度为90度。

所述第六圆弧型薄片31的一端连接有第六正方形薄片，所述第六正方形薄片的另一端连接第七圆弧型薄片，第七圆弧型薄片的另一端连接第七正方形薄片，所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片上分别附着有第六压电层和第七压电层，所述第六压电层和第七压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片上分别设置有第六质量块和第七质量块，所述第六质量块和第七质量块采用镍材料制成，所述第六质量块和第七质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。

当激励作用于质量块时，使得圆弧形压电层产生形变，进而产生电势。采用圆弧型结构不仅可以接受顶面的振动能量，还可以接受侧面的振动能量。且采用多个90°圆弧型悬臂梁构成弹簧状，能够吸收三维方向上的能量，提高了输出的电压，以及扩大了工作带宽。

双自由度圆弧型压电式能量收集器的结构示意图如图4所示，可见，多自由度圆弧型压电能量收集器是在双自由度圆弧型压电式能量收集器的基础上进一步优化，通过增加多个悬臂梁，多方向收集能量。分别做出输出电压与谐振频率关系图，如图5所示，双自由度圆弧型压电能量收集器的一阶谐振频率为43Hz，此时输出的电压为0.51V。多自由度圆弧型压电式能量收集器在x、y、z轴上的电压与频率的关系分别如图6和图7和图8所示，图6横坐标表示频率，纵坐标表示电压，图7横坐标表示频率，纵坐标表示电压，图8横坐标表示频率，纵坐标表示电压。

具体参数值见表1：

表1 多自由度圆弧型压电能量收集器三维方向电压与频率

	一阶频率（Hz）	二阶频率（Hz）	二阶频率（Hz）	输出电压（V）
					x轴	15	25	61	0.65
y轴	17	26	64	0.12
					z轴	19	28	65	0.28

可见，多自由度能量收集器在各个方向上多阶频率带宽较窄，一阶谐振频率较低。

双自由度与多自由度的结构参数对比如表2所示：

表2 多自由度圆弧型压电能量收集器三维方向电压与频率

	一阶频率（Hz）	一阶频率（Hz）	输出电压（V）
				双自由度能量收集器	43	118	0.51
多自由度能量收集器（z轴）	19	28	0.28

由表2可见，多自由度能量收集器的一阶谐振频率更低，多阶带宽较低。综上所述本技术方案的能量收集器采用了多个弧度为90°的圆弧型结构，设计成弹簧状。当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器产生更高的电势，一阶谐振频率较低，多阶带宽较短，该多自由度圆弧型能量收集器可以吸收三维方向上的振动能量，提高了能量吸收效率，研究价值和应用前景较高。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：包括第一层悬臂梁（1）、第二层悬臂梁（2）和第三层悬臂梁（3），第一层悬臂梁与第二层悬臂梁呈中心对称；第二层悬臂梁与第三层悬臂梁呈中心对称构成弹簧状。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一层悬臂梁（1）包括第一圆弧型薄片（11）和第二圆弧型薄片（12），所述第一圆弧型薄片的一端连接有第一正方形薄片（13），所述第一正方形薄片的另一端连接第二圆弧型薄片（12），第二圆弧型薄片的另一端连接第二正方形薄片（14），所述第一圆弧型薄片和第二圆弧型薄片上分别附着有第一压电层（111）和第二压电层（121）。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一正方形薄片上设置有第一质量块（131），所述第二正方形薄片上设置有第二质量块（141）。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第二层悬臂梁（2）包括第三圆弧型薄片（20）和第四圆弧型薄片（21），所述第三圆弧型薄片的一端连接有第三正方形薄片（100），所述第三圆弧型薄片的另一端连接有第四正方形薄片（200），所述第四正方形薄片的另一端连接第四圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片（20）和第四圆弧型薄片（21）上分别附着有第三压电层和第四压电层，所述第二质量块（141）上方附着设置有第五正方形薄片（300），所述第五正方形薄片用于连接第二层悬臂梁（2），所述第三正方形薄片（100）上设置有第三质量块（101），所述第四正方形薄片上设置有第四质量块。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第三质量块上附着设置有第六正方形薄片（400），所述第六正方形薄片（400）用于连接第三层悬臂梁（3），所述第三层悬臂梁（3）包括第六圆弧型薄片（31）和第七圆弧型薄片，所述第六圆弧型薄片（31）的一端连接有第六正方形薄片，所述第六正方形薄片的另一端连接第七圆弧型薄片，第七圆弧型薄片的另一端连接第七正方形薄片，所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片上分别附着有第六压电层和第七压电层，所述第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片上分别设置有第六质量块和第七质量块。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。

7.根据权利要求5所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一圆弧型薄片、第二圆弧型薄片、第三圆弧型薄片、第四圆弧型薄片、第六圆弧型薄片和第七圆弧型薄片的内径为20mm、外径为30mm，厚度为0.5mm，圆弧度为90度。

8.根据权利要求5所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第六压电层和第七压电层为PZT-5H。

9.根据权利要求8所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第六压电层和第七压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

10.根据权利要求5所述的一种多自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于：所述第一质量块、第二质量块、第三质量块、第四质量块、第六质量块和第七质量块均采用镍材料制成，各质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。