CN209516972U - 一种柔性结构预应力压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本新型涉及一种柔性结构预应力压电发电装置，包括：第一铰支基座、压电梁、第二铰支基座、第一连接杆、第二连接杆、第一柔性梁和第二柔性梁，其中：所述第一柔性梁、压电梁和第二柔性梁安装形成了核心换能部件；所述第一连接杆和第二连接杆可通过其长度调节柔性梁对压电梁的预紧量大小。当压电梁发生往复弯曲变形时，压电梁两端部会向着压电梁长度方向发生位移，此时第一柔性梁和第二柔性梁则会发生释放、储存弹性势能的往复变化，压电梁弹性势能与第一柔性梁、第二柔性梁弹性势能在系统中转化形成柔性结构预应力压电发电装置的关键。该柔性结构预应力压电发电装置结构简单，适用于低频、宽频发电，能量采集效率明显提高。

Description

一种柔性结构预应力压电发电装置

技术领域

本实用新型属于压电发电领域，具体涉及一种柔性结构预应力压电发电装置。

背景技术

随着微机电系统（MEMS）、低功耗无线传感器网络技术的发展以及它们在航空航天、海底探测、军工医疗、野外无人监测等领域的应用，利用环境能量的自供电微能源装置受到广泛关注。传统化学电池结构尺寸较大，使用寿命有限，需要及时更换，不适合应用在特殊环境下分布式传感器中。太阳能电池环境适应能力差，不适合用于没有长时间光照的场合。压电发电装置因具有结构简单、易于集成、环境适应能量强和功率密度大等优点，适用于分布式低功耗无线传感器网络节点自供电。而传统压电自发电装置共振频率较高，环境振动频率却一般较低，如果压电发电装置不能在共振频率下工作，则发电效率低，无法满足传感器用电需求。为了克服传统压电悬臂梁由于尺寸限制导致共振频率增大的缺点，提出一种柔性结构预应力压电发电装置，并且利用柔性梁与压电梁组成系统的换能机理，使得装置在环境低频振动时发电效率更高。

发明内容

为了解决目前压电发电装置大多仅适用于高频环境振动且工作频带较窄的问题。提出一种柔性结构预应力压电发电装置。该柔性结构预应力压电发电装置包括第一铰支基座、压电悬臂梁，第二铰支基座，第一连接杆、第二连接杆、第一柔性梁和第二柔性梁。所述第一铰支基座、压电悬臂梁，第二铰支基座、第一柔性梁和第二柔性梁组成了核心换能换能器件；所述第一连接杆和第二连接杆可以通过自身长度调节柔性梁对压电梁的预紧量大小。当压电梁发生上下弯曲往复变形时，压电梁两端会产生往复位移，此时，有初始预紧量的柔性梁则会随着压电梁两端位移变化而发生势能释放和储存。一方面，柔性梁对压电梁的初始预紧量具有降低压电梁共振频率的作用；另一方面，柔性梁与压电梁的势能转化可以提高压电发电效率。此装置通过在传统压电发电装置中压电梁两端放置柔性预应力梁，达到调节压电梁共振频率，使之与环境振动频率相配的目的，此外，柔性梁势能变化参与压电发电装置能量转化提高了能量俘获效率。此装置具有结构简单，共振频率可调，且适用于低频、宽频发电的优点。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种柔性结构预应力压电发电装置，包括：第一铰支基座、压电梁，第二铰支基座，第一连接杆和第二连接杆，其特征在于还包括提供压电梁预压力的第一柔性梁和第二柔性梁，其中：所述压电梁由弹性基板和压电片组成，所述压电片对称粘贴在弹性基板上下表面；所述第一铰支基座为一长方体构件，其一个侧面布置有第一梯形安装槽，第一梯形安装槽槽底长度大于压电梁宽度，槽底宽度大于压电梁厚度；所述第二铰支基座与第一铰支基座为相同构件；所述压电梁一端布置在第一铰支基座的第一梯形安装槽内，另一端布置在第二铰支基座的第二梯形安装槽内；所述第一柔性梁为一具有弹性的矩形柔性梁，其侧面正中与第一铰支基座上第一梯形安装槽所在侧面相对的侧面连接；所述第二柔性梁与第一柔性梁为相同构件，其侧面正中与第二铰支基座上第二梯形安装槽所在侧面相对的侧面连接。所述第一连接杆为一杆类构件，其长度小于第一铰支基座、压电梁和第二铰支基座安装后总长度；所述第一连接杆两端分别与第一柔性梁端部和第二柔性梁端部连接且平行于压电梁长度方向。所述第二连接杆与第一连接杆为相同构件，其两端分别与第一柔性梁另一端部和第二柔性梁另一端部连接且平行于压电梁长度方向。

所述压电梁采用两片压电片对称粘贴在弹性基板两侧形成双晶片压电振子，或采用单片压电片粘贴在弹性基板一侧形成单晶片压电振子。

所述压电梁表面正中布置质量块，增加振动过程中的振幅，可有效增加输出性能。

工作时，可通过控制柔性梁尺寸、材料或第一连接杆、第二连接杆长度控制柔性梁对压电梁的预紧量大小，压电梁发生上下弯曲往复变形时，压电梁两端会产生往复位移，此时，有初始预紧量的柔性梁则会随着压电梁两端位移变化而发生势能释放和储存。一方面，柔性梁对压电梁的初始预紧量具有降低压电梁共振频率的作用；另一方面，柔性梁与压电梁的势能转化可以提高压电发电效率。此装置通过在传统压电发电装置中压电梁两端放置柔性预应力梁，达到调节压电梁共振频率，使之与环境振动频率相配的目的，此外，柔性梁势能变化参与压电发电装置能量转化提高了能量俘获效率。此装置具有结构简单，共振频率可调，且适用于低频、宽频发电的优点。

附图说明

图1是一种柔性结构预应力发电发电装置装配示意图。

图2是一种柔性结构预应力发电发电装置剖视图。

具体实施方式

参照图1和图2，一种柔性结构预应力发电发电装置由第一铰支基座1、压电梁2、第二铰支基座3、第一连接杆4、第二连接杆5、第一柔性梁6和第二柔性梁7组成，其中：

所述压电梁2由弹性基板21和压电片22组成，所述压电片22对称粘贴在弹性基板21上下表面；所述第一铰支基座1为一长方体构件，其一个侧面布置有第一梯形安装槽11，第一梯形安装槽11槽底长度大于压电梁2宽度，槽底宽度大于压电梁2厚度；所述第二铰支基座3与第一铰支基座1为相同构件；所述压电梁2一端布置在第一铰支基座1的第一梯形安装槽11内，另一端布置在第二铰支基座3的第二梯形安装槽31内；所述第一柔性梁6为一具有弹性的矩形柔性梁，其侧面正中与第一铰支基座1上第一梯形安装槽11所在侧面相对的侧面连接；所述第二柔性梁7与第一柔性梁6为相同构件，其侧面正中与第二铰支基座3上第二梯形安装槽31所在侧面相对的侧面连接。所述第一连接杆4为一杆类构件，其长度小于第一铰支基座1、压电梁2和第二铰支基座3安装后总长度；所述第一连接杆4两端分别与第一柔性梁6端部和第二柔性梁7端部连接且平行于压电梁2长度方向。所述第二连接杆5与第一连接杆4为相同构件，其两端分别与第一柔性梁6另一端部和第二柔性梁7另一端部连接且平行于压电梁2长度方向。

所述压电梁2采用两片压电片22对称粘贴在弹性基板21两侧形成双晶片压电振子，或采用单片压电片22粘贴在弹性基板21一侧形成单晶片压电振子。

所述压电梁2表面正中布置质量块，增加振动过程中的振幅，可有效增加输出性能。

工作时，可通过控制柔性梁尺寸、材料或第一连接杆、第二连接杆长度控制柔性梁对压电梁的预紧量大小，压电梁发生上下弯曲往复变形时，压电梁两端会产生往复位移，此时，有初始预紧量的柔性梁则会随着压电梁两端位移变化而发生势能释放和储存。一方面，柔性梁对压电梁的初始预紧量具有降低压电梁共振频率的作用；另一方面，柔性梁与压电梁的势能转化可以提高压电发电效率。此装置通过在传统压电发电装置中压电梁两端放置柔性预应力梁，达到调节压电梁共振频率，使之与环境振动频率相配的目的，此外，柔性梁势能变化参与压电发电装置能量转化提高了能量俘获效率。此装置具有结构简单，共振频率可调，且适用于低频、宽频发电的优点。

Claims (3)

1.一种柔性结构预应力压电发电装置，包括：第一铰支基座（1）、压电梁（2），第二铰支基座（3），第一连接杆（4）和第二连接杆（5），其特征在于还包括提供压电梁（2）预压力的第一柔性梁（6）和第二柔性梁（7），其中：所述压电梁（2）由弹性基板（21）和压电片（22）组成，所述压电片（22）对称粘贴在弹性基板（21）上下表面；所述第一铰支基座（1）为一长方体构件，其一个侧面布置有第一梯形安装槽（11），第一梯形安装槽（11）槽底长度大于压电梁（2）宽度，槽底宽度大于压电梁（2）厚度；所述第二铰支基座（3）与第一铰支基座（1）为相同构件；所述压电梁（2）一端布置在第一铰支基座（1）的第一梯形安装槽（11）内，另一端布置在第二铰支基座（3）的第二梯形安装槽（31）内；所述第一柔性梁（6）为一具有弹性的矩形柔性梁，其侧面正中与第一铰支基座（1）上第一梯形安装槽（11）所在侧面相对的侧面连接；所述第二柔性梁（7）与第一柔性梁（6）为相同构件，其侧面正中与第二铰支基座（3）上第二梯形安装槽（31）所在侧面相对的侧面连接；所述第一连接杆（4）为一杆类构件，其长度小于第一铰支基座（1）、压电梁（2）和第二铰支基座（3）安装后总长度；所述第一连接杆（4）两端分别与第一柔性梁（6）端部和第二柔性梁（7）端部连接且平行于压电梁（2）长度方向；所述第二连接杆（5）与第一连接杆（4）为相同构件，其两端分别与第一柔性梁（6）另一端部和第二柔性梁（7）另一端部连接且平行于压电梁（2）长度方向。

2.根据权利要求1所述的一种柔性结构预应力压电发电装置，其特征在于：所述压电梁（2）采用两片压电片（22）对称粘贴在弹性基板（21）两侧形成双晶片压电振子，或采用单片压电片（22）粘贴在弹性基板（21）一侧形成单晶片压电振子。

3.根据权利要求1所述的一种柔性结构预应力压电发电装置，其特征在于：所述压电梁（2）表面正中布置质量块。