DE102021120046A1

DE102021120046A1 - Piezoelektrische energiegewinnungsvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE102021120046A1
Application number: DE102021120046.6A
Authority: DE
Inventors: Huayan Pu; Yiming Xia; Min Wang; Jiheng Ding; Shunqi Zhang; Yi Sun; Zhongjie Li; Yan Peng; Jun Luo; Shaorong Xie
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2022-02-03
Also published as: CN111884541A; CN111884541B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung offenbart eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung und -methode und bezieht sich auf das technische Gebiet der Energiegewinnung. Die piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung umfasst eine Basis, einen polygonalen elastischen Rahmen, ein flexibles Scharnier, eine Führungsstange, eine Arbeitslast und mehrere piezoelektrische Patches. Der polygonale elastische Rahmen und die Führungsstange sind jeweils fest mit zwei Enden der Basis verbunden. Die Führungsstange ist senkrecht zur Basis angeordnet. Die Arbeitslast ist auf der Führungsstange gleitend und umhüllend angeordnet. Das eine, von der Basis weit entfernte Ende des polygonalen elastischen Rahmens ist fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers verbunden. Das andere Ende des elastischen Scharniers ist fest mit der Arbeitslast verbunden. Sowohl das flexible Scharnier als auch der polygonale elastische Rahmen sind in einer geneigten Weise angeordnet. Die mehreren piezoelektrischen Patches sind an dem polygonalen elastischen Rahmen befestigt. Die Innenseite und die Außenseite jedes piezoelektrischen Patches sind jeweils mit einem Draht verbunden. Wenn eine Vibrationsquelle vibriert, bewegt sich die Arbeitslast aufgrund einer Trägheitswirkung entlang der Führungsstange auf und ab, um den polygonalen elastischen Rahmen zu strecken oder zusammenzudrücken, die Verformung der piezoelektrischen Patches auf dem polygonalen elastischen Rahmen zu fördern und mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wodurch eine großflächige Gewinnung von Energie realisiert und die Effizienz der Energiegewinnung verbessert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf das technische Gebiet der Energiegewinnung, insbesondere auf eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung und -methode.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren stand die Energiegewinnung im Mittelpunkt der Forschung in verschiedenen Bereichen. Eine der Hauptmotivationen ist die Verringerung der Menge an chemischen Abfällen, die durch die breite Anwendung von Brennstoffzellen entstehen, was nicht nur die Umwelt schützt, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Die Forscher haben beachtliche Erfolge bei der nachhaltigen und großtechnischen Nutzung der Sonnen-, Gezeiten- und Wasserenergie erzielt. Diese drei Methoden sind jedoch nicht für die Energieumwandlung im kleinen Maßstab geeignet. Bis zu einem gewissen Grad ist es günstiger, Energie auf der Grundlage von Schwingungen aus Strukturen zu gewinnen, die nicht von natürlichen Bedingungen beeinflusst werden.
Daher haben in- und ausländische Forschungseinrichtungen damit begonnen, sich mit der Erforschung von Energiegewinnungsvorrichtungen zu befassen, um die herkömmlichen chemischen Batterien durch Energiegewinnungsvorrichtungen zu ersetzen. Die herkömmlichen Energiegewinnungsvorrichtungen sind jedoch schwerfällig aufgebaut und haben eine geringe Energieausbeute, so dass sie nur schwer den Anforderungen bei besonderen Anlässen gerecht werden können. Daher ist die Entwicklung einer piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung mit kompakter Struktur, hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung neuer Energien.
ZUSAMMENFASSUNG
Um die oben genannten technischen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Offenbarung eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung und -methode zur Verfügung, die einfach aufgebaut ist, eine großflächige Sammlung von Energie ermöglicht und die Effizienz der Energiegewinnung verbessert.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, bietet die vorliegende Offenbarung die folgende Lösung:
Die vorliegende Offenbarung stellt eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung bereit, die eine Basis, einen polygonalen elastischen Rahmen, ein flexibles Scharnier, eine Führungsstange, eine Arbeitslast und mehrere piezoelektrische Patches umfasst. Der polygonale elastische Rahmen und die Führungsstange sind jeweils fest mit zwei Enden der Basis verbunden. Die Führungsstange ist senkrecht zur Basis angeordnet. Die Arbeitslast ist auf der Führungsstange gleitend und umhüllend angeordnet. Das eine, weit von der Basis entfernte Ende des polygonalen elastischen Rahmens ist fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers verbunden. Das andere Ende des elastischen Scharniers ist fest mit der Arbeitslast verbunden. Sowohl das flexible Scharnier als auch der polygonale elastische Rahmen sind in einer geneigten Weise angeordnet. Die mehreren piezoelektrischen Patches sind am polygonalen elastischen Rahmen befestigt. Sowohl die Innenseite als auch die Außenseite jedes piezoelektrischen Patches ist mit einem Draht verbunden.
Vorzugsweise enthält die piezoelektrische Schwingungsenergiegewinnungsvorrichtung außerdem ein Linearlager. Das Linearlager ist an der Arbeitslast befestigt. Das Linearlager ist auf der Führungsstange mit einem Spiel dazwischen angeordnet.
Vorzugsweise umfasst der polygonale elastische Rahmen zwei erste Verbindungsplatten, zwei zweite Verbindungsplatten und vier Montageplatten. Die beiden ersten Verbindungsplatten sind parallel zueinander und entsprechen sich in ihren Positionen. Die beiden zweiten Verbindungsplatten sind parallel zueinander und entsprechen einander in ihren Positionen. Die ersten Verbindungsplatten stehen senkrecht zu den zweiten Verbindungsplatten. Jede benachbarte erste Verbindungsplatte und zweite Verbindungsplatte sind durch eine Montageplatte miteinander verbunden. An der Innenseite und an der Außenseite jeder Montageplatte sind jeweils zwei piezoelektrische Patches angebracht.
Vorzugsweise sind die beiden piezoelektrischen Patches, die sich auf derselben Seite der Montageplatte befinden, jeweils in der Nähe der ersten und der zweiten Verbindungsplatte angeordnet.
Vorzugsweise sind Kupferfolien zwischen den piezoelektrischen Patches und den Montageplatten eingebettet; auf jede Kupferfolie ist mindestens ein Draht aufgeschweißt.
Die Basis besteht vorzugsweise aus einer Bodenplatte und einem aufrechten Pfosten, der vertikal am oberen Ende der Bodenplatte befestigt ist. Die Führungsstange ist an der Bodenplatte befestigt. An einer Seite des aufrechten Pfostens, die einer Seite der Führungsstange zugewandt ist, ist eine erste geneigte Montagefläche ausgebildet. Eine zweite geneigte Montagefläche ist an einer Seite der Arbeitslast ausgebildet, die einer Seite des aufrechten Pfostens zugewandt ist. Die erste geneigte Montagefläche ist parallel zur zweiten geneigten Montagefläche. Eine der ersten Verbindungsplatten ist an der ersten geneigten Montagefläche befestigt, und die andere der ersten Verbindungsplatten ist an einem Ende des flexiblen Scharniers befestigt. Das andere Ende des flexiblen Scharniers ist an der zweiten geneigten Montagefläche befestigt.
Vorzugsweise sind in der Bodenplatte eine poliertes Loch und ein Gewindeloch vorgesehen. Das polierte Loch dient zur Befestigung der Basis an einer Vibrationsquelle. Das Gewindeloch dient zur Montage eines Beschleunigungssensors.
Vorzugsweise besteht der polygonale elastische Rahmen aus einem 65Mn-Material und das piezoelektrische Patch aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial PZT.
Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein piezoelektrisches Schwingungsenergiegewinnungsverfahren auf der Grundlage der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung bereit, das den folgenden Schritt umfasst: Befestigen einer Basis an einer Schwingungsquelle, wobei sich die Arbeitslast bei Schwingungen der Schwingungsquelle aufgrund einer Trägheitswirkung entlang der Führungsstange auf und ab bewegt, um den polygonalen elastischen Rahmen zu dehnen oder zusammenzudrücken und die piezoelektrischen Patches auf dem polygonalen elastischen Rahmen zu verformen, wenn sich die piezoelektrischen Patches verformen, wird eine elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten gebildet, um elektrische Energie auszugeben.
Im Vergleich zum Stand der Technik werden mit der vorliegenden Offenbarung die folgenden technischen Effekte erzielt:
Die piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, umfasst die Basis, den polygonalen elastischen Rahmen, das flexible Scharnier, die Führungsstange, die Arbeitslast und mehrere piezoelektrische Patches. Die mehrfachen piezoelektrischen Patches sind an dem polygonalen elastischen Rahmen befestigt. Die Innenseite und die Außenseite jedes piezoelektrischen Patches sind jeweils mit einem Draht verbunden. Die Basis ist an der Vibrationsquelle befestigt. Wenn die Vibrationsquelle vibriert, bewegt sich die Arbeitslast aufgrund der Trägheitswirkung entlang der Führungsstange auf und ab, so dass der polygonale elastische Rahmen gedehnt oder zusammengedrückt wird und sich die piezoelektrischen Patches auf dem polygonalen elastischen Rahmen verformen. Wenn sich die piezoelektrischen Patches verformen, bildet sich eine elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten, so dass elektrische Energie abgegeben wird. Die piezoelektrischen Patches an verschiedenen Positionen des polygonalen elastischen Rahmens können nicht nur die Eigenschaften der Vorrichtung selbst widerspiegeln, sondern auch Schwingungsenergie in höchstem Maße sammeln, so dass die gesamte Vorrichtung einfach und zuverlässig ist und eine hohe Energieumwandlungseffizienz aufweist.
Figurenliste
Um die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oder im Stand der Technik deutlicher zu beschreiben, werden im Folgenden kurz die begleitenden Zeichnungen beschrieben, die für die Beschreibung der Ausführungsformen oder des Standes der Technik erforderlich sind. Offensichtlich sind die begleitenden Zeichnungen in der folgenden Beschreibung nur einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und Fachleute können ohne kreative Anstrengungen andere Zeichnungen aus diesen begleitenden Zeichnungen ableiten.

1 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein schematisches Kraftanalysediagramm der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein schematisches Ladediagramm der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer Basis der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines polygonalen elastischen Rahmens der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines flexiblen Scharniers der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer Arbeitslast der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Lagers der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Bezugszeichenliste

1-: Basis;
101-: Bodenplatte;
102-: aufrechter Pfosten;
103-: erste geneigte Montagefläche;
2-: Führungsstange;
3-: Arbeitslast;
301-: Durchgangsloch;
302-: zweite geneigte Montagefläche;
4-: Linearlager;
5-: flexibles Scharnier;
6-: polygonaler elastischer Rahmen;
601-: erste Verbindungsplatte;
602-: zweite Verbindungsplatte;
603-: Montageplatte;
7-: piezoelektrisches Patch;
8-: erste Schraube;
9-: zweite Schraube;
10-: poliertes Loch;
11-: Gewindeloch;
12-: Gleichrichter;
13-: Kondensator.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die technische Lösung in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung klar und vollständig beschrieben. Offensichtlich sind die beschriebenen Ausführungsformen nur ein Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, aber nicht alle Ausführungsformen. Auf der Grundlage der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung fallen alle anderen Ausführungsformen, die von Fachleuten ohne schöpferische Arbeit erreicht werden können, in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung.
Das Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung und -methode bereitzustellen. Die Vorrichtung ist einfach in der Struktur, realisiert eine großflächige Gewinnung von Energie und verbessert die Effizienz der Energiegewinnung.
Um die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung deutlicher und verständlicher zu machen, wird die vorliegende Offenbarung im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die spezifischen Ausführungsarten im Detail beschrieben.
Wie in den 1 bis 8 gezeigt, stellt die vorliegende Offenbarung eine piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung bereit, die eine Basis 1, einen polygonalen elastischen Rahmen 6, ein flexibles Scharnier 5, eine Führungsstange 2, eine Arbeitslast 3 und mehrere piezoelektrische Patches 7 umfasst. Der polygonale elastische Rahmen 6 und die Führungsstange 2 sind jeweils fest mit zwei Enden der Basis 1 verbunden. Die Führungsstange 2 ist senkrecht zur Basis 1 angeordnet. Die Arbeitslast 3 ist auf der Führungsstange 2 gleitend und hülsenförmig angeordnet. Das eine, von der Basis 1 weit entfernte Ende des polygonalen elastischen Rahmens 6 ist fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers 5 verbunden. Das andere Ende des flexiblen Scharniers 5 ist fest mit der Arbeitslast 3 verbunden. Sowohl das flexible Scharnier 5 als auch der polygonale elastische Rahmen 6 sind geneigt angeordnet. Die Achsrichtung des polygonalen elastischen Rahmens 6 stimmt mit der Achsrichtung des flexiblen Scharniers 5 überein. Insbesondere ist das flexible Scharnier 5 von einem Ende des polygonalen elastischen Rahmens 6 zu einem Ende der Arbeitslast 3 aufwärts geneigt angeordnet. Das flexible Scharnier 5 kann die Verformung des polygonalen elastischen Rahmens 6 in einer achsenfremden Richtung aufnehmen, die durch das Genauigkeitsproblem der Komponenten der Vorrichtung verursacht wird, um einen Schutzeffekt auf den polygonalen elastischen Rahmen 6 während der Arbeit zu erzielen. Die mehreren piezoelektrischen Patches 7 sind an dem polygonalen elastischen Rahmen 6 befestigt. Sowohl die Innenseite als auch die Außenseite jedes piezoelektrischen Patches 7 ist mit einem Draht verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform können die mehreren piezoelektrischen Patches 7 durch Verwendung des polygonalen elastischen Rahmens 6 an mehreren Oberflächen befestigt werden, um eine großflächige Gewinnung von Energie zu realisieren und die Effizienz der Energiegewinnung erheblich zu verbessern.
Wie in 8 dargestellt, umfasst die vorliegende Ausführungsform außerdem ein Linearlager 4. Das Linearlager 4 ist an der Arbeitslast 3 befestigt. Das Linearlager 4 ist auf der Führungsstange mit einem Abstand dazwischen angeordnet. Insbesondere wird ein Linearlager 4 mit einem strukturellen Klebstoff an einem Durchgangsloch 301 der Arbeitslast 3 befestigt. In einem Arbeitsprozess der Vorrichtung bewegt sich die Arbeitslast 3 entlang der Führungsstange 2 mit dem Linearlager 4 auf und ab, um die Verformung des polygonalen elastischen Rahmens 6 zu realisieren.
Wie in 5 dargestellt, umfasst der polygonale elastische Rahmen 6 zwei erste Verbindungsplatten 601, zwei zweite Verbindungsplatten 602 und vier Montageplatten 603. Die beiden ersten Verbindungsplatten 601 sind parallel zueinander und entsprechen einander in ihrer Position. Die beiden zweiten Verbindungsplatten 602 sind parallel zueinander angeordnet und entsprechen sich in ihren Positionen. Die ersten Verbindungsplatten 601 stehen senkrecht zu den zweiten Verbindungsplatten 602. Jede benachbarte erste Verbindungsplatte 601 und zweite Verbindungsplatte 602 sind durch eine Montageplatte 603 verbunden. An der Innenseite und der Außenseite jeder Montageplatte 603 sind jeweils zwei piezoelektrische Patches 7 angebracht. Die beiden ersten Verbindungsplatten 601 sind jeweils fest mit der Basis 1 und dem flexiblen Scharnier 5 verbunden. Die Achse des polygonalen elastischen Rahmens 6 steht senkrecht zur Verbindungslinie der beiden ersten Verbindungsplatten 601. Es ist ersichtlich, dass in der vorliegenden Ausführungsform insgesamt 16 piezoelektrische Patches 7 an der Innenseite und der Außenseite der vier Montageplatten 603 angebracht sind, die relativ zur Achse des polygonalen elastischen Rahmens 6 geneigt sind, um eine großflächige Gewinnung der Energie zu realisieren.
Insbesondere ist die Breite des piezoelektrischen Patches 7 etwas geringer als die Breite der Montageplatte 603. Die beiden piezoelektrischen Patches 7, die sich auf der gleichen Seite der Montageplatte 603 befinden, sind jeweils in der Nähe der ersten Verbindungsplatten 601 und der zweiten Verbindungsplatten 602 angeordnet, d. h. die piezoelektrischen Patches 7 sind in der Nähe der Kante der Montageplatten 603 angebracht. Der Verformungsgrad der piezoelektrischen Patches 7 wird erhöht, um die gewonnene Energie aufgrund der großen Biegeauslenkung einer Oberflächenkante im Vergleich zu der einer zentralen Position zu erhöhen.
Die piezoelektrischen Patches 7 werden mit einem strukturellen Klebstoff auf die Oberfläche der Montageplatten 603 geklebt. Zwischen den piezoelektrischen Patches und den Montageplatten sind Kupferfolien eingebettet. Auf jede Kupferfolie wird ein Draht geschweißt, um den Ausgang eines Endes der Elektrode des piezoelektrischen Patches 7 zu realisieren. Ein Draht wird direkt auf die andere Oberfläche des piezoelektrischen Patches 7 geschweißt, um den Ausgang des anderen Endes der Elektrode des piezoelektrischen Patches 7 zu realisieren. Wenn sich das piezoelektrische Patch 7 verformt, wird die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten gebildet, um elektrische Energie abzugeben.
In der konkreten Ausführungsform besteht der polygonale elastische Rahmen 6 aus einem 65Mn-Material, das eine gute Flexibilität aufweist, nicht zu Brüchen oder plastischen Verformungen neigt und in größerem Umfang Schwingungsenergie in elektrische Energie umwandeln kann.
In der konkreten Ausführungsform bestehen die piezoelektrischen Patches 7 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial PZT. Das piezoelektrische Keramikmaterial PZT ist eine Zusammensetzung auf der Basis von Bleititanat und Bleizirkonat in fester Lösung, und sein Curie-Punkt liegt zwischen 300 und 400°C. Das piezoelektrische Keramikmaterial PZT ist in einem großen Temperaturbereich stabil und hat einen bemerkenswerten piezoelektrischen Effekt, wenn es als Wandlermaterial dient.
Wie in 4 dargestellt, umfasst die Basis 1 eine Bodenplatte 101 und einen aufrechten Pfosten 102, der vertikal am oberen Ende der Bodenplatte 101 befestigt ist. Die Führungsstange 2 ist an der Bodenplatte 101 befestigt. Insbesondere steht die Führungsstange 2 in einer Schraubverbindung mit der Bodenplatte 101. Der aufrechte Pfosten 102 und die Bodenplatte 101 haben eine integrierte Struktur. Die Führungsstange 2 und der aufrechte Pfosten 102 sind jeweils an zwei Enden der Bodenplatte 101 angeordnet. Eine erste geneigte Montagefläche 103 ist auf einer der Führungsstange 2 zugewandten Seite des oberen Endes des aufrechten Pfostens 102 ausgebildet. Wie in 7 dargestellt, ist eine zweite geneigte Montagefläche 302 auf einer Seite des unteren Endes der Arbeitslast 3 ausgebildet, die dem aufrechten Pfosten 102 zugewandt ist. Die erste geneigte Montagefläche 103 ist parallel zu der zweiten geneigten Montagefläche 302. Eine der ersten Verbindungsplatten 601 ist an der ersten geneigten Montagefläche 103 befestigt, und die andere der ersten Verbindungsplatten 601 ist fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers 5 verbunden. Das andere Ende des flexiblen Scharniers 5 ist an der zweiten geneigten Montagefläche 302 befestigt. Insbesondere ist eine der ersten Verbindungsplatten 601 durch eine erste Schraube 8 an der ersten geneigten Montagefläche 103 befestigt, und die andere der ersten Verbindungsplatten 601 ist durch eine zweite Schraube 9 fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers 5 verbunden. Das andere Ende des flexiblen Scharniers 5 ist mit der zweiten geneigten Montagefläche 302 verschraubt.
Wie in 4 dargestellt, sind in der Bodenplatte 101 ein poliertes Loch 10 und ein Gewindeloch 11 ausgebildet. Das polierte Loch 10 dient zur Befestigung der Basis 1 an einer Vibrationsquelle. Insbesondere wird die Basis 1 mit einer Schraube durch das polierte Loch 10 an der Vibrationsquelle befestigt, um die gesamte Vorrichtung zu stützen und mechanische Energie zu übertragen. Das Gewindeloch 11 dient zur Montage eines Beschleunigungssensors. Der Beschleunigungssensor kann die Beschleunigung der Basis 1 in Echtzeit überwachen, um sicherzustellen, dass sich die Vorrichtung in einem normalen Arbeitsbereich befindet.
Die vorliegende Ausführungsform stellt ferner ein piezoelektrisches Schwingungsenergiegewinnungsverfahren auf der Grundlage der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung bereit, das den folgenden Schritt umfasst: Befestigen einer Basis 1 an einer Vibrationsquelle, wobei, wenn die Vibrationsquelle vibriert, eine Arbeitslast 3 sich entlang einer Führungsstange 3 aufgrund einer Trägheitswirkung auf und ab bewegt, um einen polygonalen elastischen Rahmen 6 zu dehnen oder zusammenzudrücken und die piezoelektrischen Patches 7 auf dem polygonalen elastischen Rahmen 6 zu verformen, wenn sich die piezoelektrischen Patches 7 verformen, wird eine elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten gebildet, um elektrische Energie auszugeben. Die piezoelektrischen Patches 7 an verschiedenen Positionen des polygonalen elastischen Rahmens 6 können nicht nur die Eigenschaften der Vorrichtung selbst widerspiegeln, sondern auch Schwingungsenergie in höchstem Maße gewinnen, so dass die gesamte Vorrichtung einfach und zuverlässig ist und eine hohe Energieumwandlungseffizienz aufweist.
Wie in 2 dargestellt, bedeutet ein gestrichelter Pfeil, dass sich die Arbeitslast 3 nach unten bewegt, und ein gepunkteter Pfeil, dass sich die Arbeitslast 3 nach oben bewegt. In jeder Bewegungssituation können acht Drehmomente M_1-8 auf den polygonalen elastischen Rahmen 6 einwirken. Der Einfachheit halber sind in den Zeichnungen für jede Situation nur halbe Drehmomente eingezeichnet. Die Drehmomentrichtungen der Bewegungssituationen sind einander entgegengesetzt und entsprechen einander eins zu eins. Die Kraft, die durch die Auf- und Abwärtsbewegung der Arbeitslast 3 erzeugt wird, wird als F dargestellt, und dann kann eine Kraftgleichung des Systems wie folgt dargestellt werden: $F * L = M_{0} + M_{1} + M_{2} + M_{3} + M_{4} + M_{5} + M_{6} + M_{7} + M_{8}$
F , L , M₀ , und M_1-8 sind jeweils die Kraft, die durch die Auf- und Abwärtsbewegung der Arbeitslast 3 des Systems erzeugt wird, der transversale statische Abstand zwischen dem Zentrum und dem Drehpunkt der Arbeitslast 3, und das Drehmoment des flexiblen Scharniers 5 und das Drehmoment an jeder Position des polygonalen elastischen Rahmens 6; der tiefgestellte Index des Drehmoments entspricht der Positionsnummer auf dem polygonalen elastischen Rahmen 6. F * L stellt das gesamte Drehmoment dar, das in das System eingegeben wird.
Wie in 3 dargestellt, können die mehreren piezoelektrischen Patches 7 auf dem polygonalen elastischen Rahmen 6 in Reihe geschaltet werden, um einen Kondensator 13 über einen Gleichrichter 12 aufzuladen.
In der vorliegenden Offenbarung werden spezifische Beispiele verwendet, um das Prinzip und die Art der Umsetzung der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. Die Beschreibung der oben genannten Ausführungsformen dient nur dazu, das Verfahren und die Kernidee der vorliegenden Offenbarung zu verstehen. In der Zwischenzeit wird es für Fachleute, die sich mit der Materie auskennen, Änderungen in der spezifischen Implementierungsweise und im Anwendungsbereich entsprechend der Idee der vorliegenden Offenbarung geben. Abschließend sei gesagt, dass der Inhalt der vorliegenden Spezifikation nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung zu verstehen ist.

Claims

Piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung, die eine Basis, einen polygonalen elastischen Rahmen, ein flexibles Scharnier, eine Führungsstange, eine Arbeitslast und mehrere piezoelektrische Patches umfasst, wobei der polygonale elastische Rahmen und die Führungsstange jeweils fest mit zwei Enden der Basis verbunden sind; die Führungsstange senkrecht zur Basis angeordnet ist; die Arbeitslast auf der Führungsstange gleitend und umhüllend angeordnet ist; ein Ende des polygonalen elastischen Rahmens, das von der Basis weit entfernt ist, fest mit einem Ende des flexiblen Scharniers verbunden ist; das andere Ende des flexiblen Scharniers ist fest mit der Arbeitslast verbunden; sowohl das flexible Scharnier als auch der polygonale elastische Rahmen sind geneigt angeordnet; die mehreren piezoelektrischen Patches sind an dem polygonalen elastischen Rahmen befestigt; jede der Innenseite und der Außenseite jedes piezoelektrischen Patches ist mit einem Draht verbunden; der polygonale elastische Rahmen umfasst zwei erste Verbindungsplatten, zwei zweite Verbindungsplatten und vier Montageplatten; die zwei ersten Verbindungsplatten sind parallel zueinander und entsprechen einander in ihren Positionen; die beiden zweiten Verbindungsplatten sind parallel zueinander und entsprechen einander in den Positionen; die ersten Verbindungsplatten stehen senkrecht zu den zweiten Verbindungsplatten; jede benachbarte erste Verbindungsplatte und zweite Verbindungsplatte sind durch eine Montageplatte verbunden; zwei piezoelektrische Patches sind jeweils an der Innenseite und der Außenseite jeder Montageplatte angebracht; die Basis umfasst eine Bodenplatte und einen aufrechten Pfosten, der vertikal am oberen Ende der Bodenplatte befestigt ist; die Führungsstange ist an der Bodenplatte befestigt; eine erste geneigte Montagefläche ist auf einer Seite, die einer Seite der Führungsstange zugewandt ist, des aufrechten Pfostens ausgebildet; eine zweite geneigte Montagefläche ist auf einer Seite, die einer Seite des aufrechten Pfostens zugewandt ist, der Arbeitslast ausgebildet; die erste geneigte Montagefläche ist parallel zu der zweiten geneigten Montagefläche; eine der ersten Verbindungsplatten ist an der ersten geneigten Montagefläche befestigt, und die andere der ersten Verbindungsplatten ist an einem Ende des flexiblen Scharniers befestigt; das andere Ende des flexiblen Scharniers ist an der zweiten geneigten Montagefläche befestigt.
Die piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst ferner ein Linearlager, wobei das Linearlager an der Arbeitslast befestigt ist; das Linearlager ist auf der Führungsstange mit einem Spiel dazwischen angeordnet.
Piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden piezoelektrischen Patches, die sich auf derselben Seite der Montageplatte befinden, jeweils in der Nähe der ersten Verbindungsplatten und der zweiten Verbindungsplatten angeordnet sind.
Piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei Kupferfolien zwischen den piezoelektrischen Patches und den Montageplatten eingebettet sind; mindestens ein Draht ist auf jede Kupferfolie geschweißt.
Piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei in der Bodenplatte ein poliertes Loch und ein Gewindeloch ausgebildet sind; das polierte Loch dient zur Befestigung der Basis an der Vibrationsquelle; das Gewindeloch dient zur Montage eines Beschleunigungssensors.
Piezoelektrische Energiegewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der polygonale elastische Rahmen aus einem 65Mn-Material hergestellt ist und das piezoelektrische Patch aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial PZT besteht.
Piezoelektrisches Schwingungsenergiegewinnungsverfahren auf der Grundlage der piezoelektrischen Energiegewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das den folgenden Schritt umfasst: Befestigen einer Basis an einer Vibrationsquelle, wobei, wenn die Vibrationsquelle vibriert, sich die Arbeitslast aufgrund einer Trägheitswirkung entlang der Führungsstange auf und ab bewegt, um den polygonalen elastischen Rahmen zu dehnen oder zusammenzudrücken und die piezoelektrischen Patches auf dem polygonalen elastischen Rahmen zu verformen; wenn sich die piezoelektrischen Patches verformen, wird eine elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten gebildet, um elektrische Energie auszugeben.