CN210669920U - 一种圆盘式压电能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种圆盘式压电能量收集装置，包括压电材料、衬底、质量块及传导导杆，压电材料设置在衬底的一面，并位于衬底的中心处，机械振动传导导杆设置在衬底的另一面，并位于衬底的中心处，质量块固定设置在衬底边缘且与衬底同轴配合，衬底采用可以改善受力分布的镂空结构。与现有技术相比，本实用新型提高了压电材料的机‑电转换效率，并降低了整体装置的重量，进而提高了单位质量的能量收集效率，达到了压电能量收集装置轻量化的目的。

Description

一种圆盘式压电能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及能量机电转换领域，尤其是涉及一种圆盘式压电能量收集装置。

背景技术

近年来，全球对无线传感器和小型电子设备的需求不断增加。大多数无线传感器和小型电子设备主要依靠电池供电。然而，对于军用电子设备和便携式可穿戴设备来说，携带和更换电池几乎是不可能的任务。因此，需要创新小装置的能源供应方式。研究表明，微电子器件可以通过将生活中广泛存在的机械能转化为电能，在一定程度上为自身提供能量。圆盘式能量收集装置在振动储能方面具有很大的潜力，对圆盘式能量收集装置进行结构方面的优化有利于其广泛应用。

现有技术的圆盘式能量收集装置结构如图1、图2所示，主要组成部分包括：压电材料1、衬底2、质量块3和机械振动传导导杆4，机械振动通过传导导杆4向上传导，边缘自由振动带动压电材料1变形，通过压电效应输出电能，但这一结构将最大应力应变区集中在机械振动传导导杆4的边缘附近，外部及靠近边缘的区域几乎没有得到利用，整体装置利用率不高。

因此，需要开发一种新型的圆盘式压电能量收集装置，以改善最大变形区域的分布，提高能量收集的效率。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以提高压电材料的利用效率、改善最大应力应变分布区域并实现轻量化的圆盘式压电能量收集装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种圆盘式压电能量收集装置，包括压电材料、衬底、质量块及传导导杆，所述的压电材料设置在衬底的一面，并位于衬底的中心处，所述的传导导杆设置在衬底的另一面，并位于衬底的中心处，所述的质量块固定设置在衬底上，所述的衬底采用可以改善受力分布的镂空结构。衬底上的镂空区域改善了受力分布，使得衬底更容易变形并且将最大受力部分向外移动，提高了边缘部分压电材料的利用率，使得10g的质量块就可以达到原先20g质量块的输出，达到轻量化的目的；使用直径为16mm的压电圆片即可达到原先使用直径为25mm的压电圆片的输出功率，提高了整体器件的利用率。

进一步地，所述的衬底的中心设有实心区域，边缘沿周向均匀布设有4-15个扇形镂空区域。

进一步地，所述的实心区域的直径为16-19mm，厚度为0.2mm。

进一步地，所述的压电材料为圆形薄片压电陶瓷材料。

进一步地，所述的圆形薄片压电陶瓷材料的直径为12-25mm，厚度为0.2mm。

进一步地，所述的圆形薄片压电陶瓷材料为PZT-5H陶瓷片。

进一步地，所述压电材料的直径与衬底的直径比为0.39-0.6:1，所述衬底的直径与传导导杆的直径比为6.83:1。

进一步地，所述的质量块呈环形，并固定在衬底边缘。

进一步地，所述的质量块的质量为10-20g。

进一步地，所述的压电材料通过环氧树脂胶粘结在衬底的一面。

本实用新型中，能量收集装置采用中心固定，边缘自由的振动模式进行能量收集。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点；

(1)装置通过镂空衬底，调节最大形变区域的位置，提高了压电材料整体利用效率；

(2)装置的重量减轻，结构简单易加工；

(3)单位质量的能量收集效率提高，达到了轻量化的目的；

(4)压电材料的单位体积利用率得到了提高，整体器件的能量收集效率得到了提高。

附图说明

图1为现有的圆盘式能量收集装置的轴测图；

图2为现有的圆盘式能量收集装置的俯视图；

图3为实施例1中圆盘式压电能量收集装置的轴测图；

图4为实施例1中圆盘式压电能量收集装置的俯视图；

图5为实施例1中圆盘式压电能量收集装置的三维分解图；

图6为实施例1中圆盘式压电能量收集装置和现有的圆盘式能量收集装置输出电压比较图，

其中，左边一条曲线为现有的能量收集装置，配重20g时的输出电压，

右边一条曲线为实施例1中能量收集装置使用10g配重时的输出电压；

图7为实施例1中圆盘式压电能量收集装置和现有的圆盘式能量收集装置输出功率比较图，

其中，左边一条曲线为现有的能量收集装置，配重20g时的输出功率，

右边一条曲线为实施例1中能量收集装置使用10g配重时的输出功率；

图8为实施例1中圆盘式压电能量收集装置在压电材料直径与衬底直径比值为0.34-0.52范围内的输出功率对比图；

图9为实施例1中圆盘式压电能量收集装置实施方式示意图；

图中标记说明：

1—压电材料、2—衬底、3—质量块、4—传导导杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1：

一种圆盘式压电能量收集装置，如图3、图4、图5所示，包括压电材料1，衬底2，质量块3和传导导杆4，压电材料1和衬底2的一面以同心圆的方式连接，质量块3固定在衬底2的此面，衬底2的另一面的圆心处固定有传导导杆4，衬底2采用可以改善受力分布的镂空结构。该能量收集装置采用中心固定，边缘自由的振动模式进行能量收集。

衬底2的边缘上为均匀分布的15个扇形镂空区域，中心是直径为16mm实心区域，厚度为0.2mm。压电材料1为直径为16mm，厚度为0.2mm的PZT-5H陶瓷片，并通过环氧树脂胶粘结在衬底2的一面。压电材料1的直径与衬底2的直径比为0.39:1，所述衬底2的直径与传导导杆4的直径比为6.83:1。质量块3为环形质量块，固定在衬底2边缘，其质量为10g。

工作时，如图9所示，首先由控制系统发出指令，函数发生器接收指令后发出正弦振动信号，经过信号放大器传递给振动台，与此同时传导导杆4带动衬底2振动，由于质量块3的作用力，压电材料1继而产生形变，分别连接压电材料1和衬底2进入回路，这时产生的是正弦交流电，通过桥式整流电路转化为直流电之后，匹配相应的外接负载通过电脑程序测出输出电压和输出功率。

产生的输出电压和能量收集装置的自身结构有关，在共振频率下可达到最大输出的电压和功率，此时是本装置的最佳工作频率。同时使用和内阻相同的外部负载可以达到最大分压，再结合共振频率，输出功率达到最佳。

结合图6-8可知，相比较现有的圆盘式能量收集装置，本装置很好地提高了压电材料1的利用效率，使用10g质量块3的配重即可达到现有的一般结构使用20g质量块3的配重效果，重量直接减轻了50％。

实施例2：

与实施例1不同的是，衬底2的边缘上为均匀分布的12个扇形镂空区域，中心是直径为16mm实心区域，厚度为0.2mm。压电材料1的直径为12mm，厚度为0.2mm。压电材料1的直径与衬底2的直径比为0.34:1，所述衬底2的直径与传导导杆4的直径比为6.83:1。质量块3质量为10g。

实施例3：

与实施例1不同的是，衬底2的边缘上为均匀分布的12个扇形镂空区域，中心是直径为19mm实心区域，厚度为0.2mm。压电材料1的直径为25mm，厚度为0.2mm。压电材料1的直径与衬底2的直径比为0.6:1，所述衬底2的直径与传导导杆4的直径比为6.83:1。质量块3质量为10g。

以上实施例仅用于说明本实用新型技术方案，并非是对本实用新型的限制，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本实用新型的宗旨，也应属于本实用新型的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种圆盘式压电能量收集装置，包括压电材料(1)、衬底(2)、质量块(3)及传导导杆(4)，所述的压电材料(1)设置在衬底(2)的一面，并位于衬底(2)的中心处，所述的传导导杆(4)设置在衬底(2)的另一面，并位于衬底(2)的中心处，所述的质量块(3)固定设置在衬底(2)上，其特征在于，所述的衬底(2)采用可以改善受力分布的镂空结构。

2.根据权利要求1所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的衬底(2)的中心设有实心区域，边缘沿周向均匀布设有4-15个扇形镂空区域。

3.根据权利要求2所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的实心区域的直径为16-19mm，厚度为0.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的压电材料(1)为圆形薄片压电陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的圆形薄片压电陶瓷材料的直径为12-25mm，厚度为0.2mm。

6.根据权利要求4所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的圆形薄片压电陶瓷材料为PZT-5H陶瓷片。

7.根据权利要求1所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述压电材料(1)的直径与衬底(2)的直径比为0.39-0.6:1，所述衬底(2)的直径与传导导杆(4)的直径比为6.83:1。

8.根据权利要求1所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的质量块(3)呈环形，并固定在衬底(2)边缘。

9.根据权利要求8所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的质量块(3)的质量为10-20g。

10.根据权利要求1所述的一种圆盘式压电能量收集装置，其特征在于，所述的压电材料(1)通过环氧树脂胶粘结在衬底(2)的一面。

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