柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置製造方法
2024-02-12 08:04:15
柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，屬於能源【技術領域】。包括基座、彈性懸臂梁、若干個彈性體和若干個壓電層；彈性懸臂梁的一端與基座固連，彈性體和壓電層相互交替堆疊固定在彈性懸臂梁上且堆疊的最頂層與最底層均為彈性體，彈性體與壓電層之間緊密結合。本發明中的彈性體可以在採集裝置工作過程中對壓電層進行有效的保護，壓電層在工作在受壓狀態下的壽命較傳統條狀壓電片及壓電薄膜受彎曲應力的壽命更長，提高了採集裝置的使用壽命。將壓電層中的環狀壓電片設置成若干塊面積均等且相互絕緣的扇形，增加壓電片的有效工作數量，提高了裝置的能量採集效率。
【專利說明】柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種壓電能量採集裝置，具體講是一種柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，屬於能源【技術領域】。
【背景技術】
[0002]面對世界範圍內的能源短缺，人們越來越希望能將日常所忽視的浪費的能量加以回收和利用，以提高能源利用效率，實現人類社會的持續健康發展。振動能量是一種非常廣泛而又常常被忽視的能量種類，其潛在的能量價值不可忽視。壓電材料是一種可以將機械能轉化為電能的智能材料，是可實現振動能量回收的有效材料。傳統壓電振動能量收集裝置收集的振動能量主要是單方向的，這種能量採集結構當振動方向選擇性強的時候可以有效獲取能量，而在多方向隨機振動的情況下，其所能回收的能量是極其有限的。
[0003]現有的多方向壓電能量採集器主要是採用條狀懸臂梁單晶片或懸臂梁雙晶片式壓電振子以及採用壓電薄膜裹覆於梁表面的方式，採用上述幾種方式時由於壓電材料隨梁的振動幅度而變形，因而變形量較大，壓電材料損耗較大，壽命短，從而影響了整個能量採集器的使用壽命。
[0004]2013年5月15日，中國發明專利申請CN103107740A公開了一種柱狀多方向壓電發電裝置，其包括多個懸臂梁壓電振子的一端均固定於圓柱底座上，所述懸臂梁壓電振子以圓柱底座的圓心為中心成環行陣列分布，同時多個懸臂梁壓電振子沿圓柱底座軸向依次上下交錯分布，所述各個懸臂梁壓電振子大小均不同。該發明通過各壓電振子沿柱狀固定座軸向和徑向均勻分布，能夠高效收集各個方向傳輸的環境振動能量。但其懸臂梁壓電振子在能量採集過程中振動幅度較大，長期工作過程容易引起變形，從而引起了壓電材料大幅損耗，降低了發電效率，縮短了懸臂梁壓電振子的使用壽命，從而影響了整個壓電發電裝置的使用壽命。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術缺陷，提供一種能有效保護壓電材料，減少壓電材料大幅度變形，進而延長採集裝置的使用壽命的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明提供的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，包括基座、彈性懸臂梁、若干個彈性體和若干個壓電層；所述彈性懸臂梁的一端與基座固連，所述彈性體和壓電層相互交替堆疊固定在彈性懸臂梁上且堆疊的最頂層與最底層均為彈性體，所述彈性體與壓電層之間緊密結合。
[0007]本發明中，所述彈性懸臂梁為圓柱狀、彈性體與壓電層均為環狀結構，所述彈性體與壓電層的內徑與圓柱體彈性懸臂梁直徑相等，彈性體與壓電層套裝固定在彈性懸臂梁上。
[0008]本發明中，所述環狀壓電層由兩片環狀壓電片和環狀基片組成，兩片壓電片分別貼布於環形基片的上下兩面上。
[0009]本發明中，所述環狀壓電片由若干塊面積均等且相互絕緣的扇形壓電片組成。
[0010]本發明中，所述彈性體與壓電層的厚度為相同或不同。
[0011]本發明中，所述彈性體與壓電層疊堆的長度及位於彈性懸臂梁上的位置均可調節。
[0012]本發明中，所述彈性懸臂梁的另一端連接輔助採集部件。
[0013]本發明中，所述輔助採集部件為質量塊或擋風板。
[0014]本發明的有益效果在於:(I)、本發明中彈性體和壓電層採用相互交替堆疊的結構固定在彈性懸臂梁上，且彈性體與壓電層之間緊密結合無間隙，彈性體可以在採集裝置工作過程中對壓電層進行有效的保護，壓電層在工作在受壓狀態下的壽命較傳統條狀壓電片及壓電薄膜受彎曲應力的壽命更長，提高了採集裝置的使用壽命；(2)、本發明彈性懸臂梁為圓柱狀、彈性體與壓電層均為環狀結構，可以在橫截面上任意角度的徑向位置處進行振動，極大地擴展了彈性懸臂梁對振動方向的適應性，可以適應多方向的能量採集；(3)、將環狀壓電片設置成若干塊面積均等且相互絕緣的扇形，增加壓電片的有效工作數量，提高了裝置的能量採集效率；(4)、本發明中彈性體與壓電層疊堆的長度及位於彈性懸臂梁上的位置均可調節根據實際板需要調整，以適應裝置在不同的工作環境中使用；(5)、在彈性懸臂梁自由端設置連接輔助採集部件，以適應裝置整體在不同環境能量採集中的應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置的結構示意圖；
圖2為本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置發生振動彎曲後的結構示意圖；
圖3為環狀壓電層組合結構示意圖；
圖4為本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置附加擋風板示意圖；
圖5為實本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置附加質量塊示意圖；
圖中，1-基座，2-彈性懸臂梁，3-環狀彈性體，4-環狀壓電層，5-扇形壓電片，6-環狀基片，7-擋風板，8-質量塊。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0017]如圖1所示，本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置包括基座1、彈性懸臂梁
2、環狀彈性體3和環狀壓電層4。其中，彈性懸臂梁2為圓柱形，彈性懸臂梁2的一端固定於基座I上，彈性懸臂梁2上套裝堆疊有N個環狀彈性體3與N-1個環狀壓電層4，環狀彈性體3採用絕緣材料製成，環狀彈性體3和環狀壓電層4的厚度為相同或不同；環狀彈性體3和環狀壓電層4的內徑與彈性懸臂梁2直徑相等，環狀彈性體3和環狀壓電層4兩者之間交替堆疊，其中堆疊的最頂層與最底層均為環狀彈性體3，即其彈性懸臂梁2的首末兩端均為環狀彈性體3，堆疊最底層環狀彈性體3的一面粘連於基座I上，每層環狀壓電層4與環狀彈性體3之間相互粘連結合；環狀壓電片4與環狀彈性體3的數量及疊堆位於彈性懸臂梁2的安放位置可以根據具體應用要求進行不同調節。每一個環狀壓電層上均布置有能量收集電極，收集電極與後端的整流電路相連。在正常無振動狀態下，環狀彈性體3與環狀壓電層4不產生相互擠壓作用或僅由於重力作用產生微小預擠壓變形。
[0018]如圖3所示，環狀壓電層4由兩塊環形壓電片和一塊環狀基片6組成，環形壓電片貼布於環形基片6的上下兩面上；每塊環形壓電片分為多塊面積均等的扇形壓電片5，扇形壓電片5，扇形壓電片5均勻貼布於環形基片6表面上，彼此間扇形壓電片5上收集電極之間保持電氣絕緣，將環形壓電片設置成若干塊面積均等且相互絕緣的扇形，可增加壓電片的有效工作數量，極大地提高了裝置的能量採集效率。
[0019]如圖2所示，當本發明柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置發生振動時，彈性懸臂梁2發生受迫彎曲振動，彈性懸臂梁2受壓一側的環形彈性體3與環形壓電層4堆疊亦會受壓而變形，對應的扇形壓電片5受壓後，由於正壓電效應將會產生電壓。彈性懸臂梁2另一側，由於堆疊的環形彈性體3與環形壓電層4之間相互粘連，因而環形壓電片4和環形彈性體3堆疊亦會受拉，對應的扇形壓電片6受拉產生相反方向的電荷，將這些扇形壓電片6輸出電壓通過整流電路後連接到儲能元件，即實現能量收集。
[0020]工作時，在對稱位置上的2個片扇形壓電片6可能恰好位於受壓和受拉變形的過度區，致使該扇形壓電片6本身一部分受壓另一部分受拉，產生的正負電荷會相互抵消，將削弱該扇形壓電片6的能量採集效果或使其在這種工況下完全喪失能量採集能力。但通過將環狀壓電片劃分為更多等分的扇形壓電片6，可增加扇形壓電片6的有效工作數量，從而提高整個環狀壓電層的能量收集效率。
[0021]如圖4所示，在彈性懸臂梁2的自由端附加十字交叉擋風板7，以增大結構整體在使用過程中的形變量，十字交叉擋板7可以阻擋水平面內任意方向的風，而風會反作用於擋板一定的力使得採集裝置發生大幅度彎曲振動，從而提高了風能的回收效率。
[0022]如圖5所示，在彈性懸臂梁2的自由端附加質量塊8，水平面內任意方向的振動波在促動採集裝置運動的同量，附加質量塊8會加速採集裝置發生彎曲振動的頻率和幅度，從而提高振動能量的回收效率。
[0023]本發明中採用圓柱型結構，可實現圓柱徑向平面內任意方向的振動能量採集；在彈性懸臂梁2上布置有多層環狀壓電層4，可大大地提高能量收集效率；環狀彈性體3和環狀壓電層4採用相互交替堆疊的結構固定在彈性懸臂2梁上，兩者之間緊密結合，工作過程中環狀彈性體3可以對環狀壓電層4進行有效的保護，延長了環狀壓電層4的使用壽命，從而提高了採集裝置的使用壽命。
[0024]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:包括基座(I)、彈性懸臂梁(2)、若干個彈性體(3)和若干個壓電層⑷；所述彈性懸臂梁(2)的一端與基座⑴固連，所述彈性體(3)和壓電層(4)相互交替堆疊固定在彈性懸臂梁(2)上且堆疊的最頂層與最底層均為彈性體(3)，所述彈性體(3)與壓電層(4)之間緊密結合。
2.根據權利要求1所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述彈性懸臂梁⑵為圓柱狀、彈性體⑶與壓電層⑷均為環狀結構，所述彈性體⑶與壓電層(4)的內徑與圓柱體彈性懸臂梁(2)直徑相等，彈性體(3)與壓電層(4)套裝固定在彈性懸臂梁上。
3.根據權利要求2所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述環狀壓電層⑷由兩片環狀壓電片和環狀基片(6)組成，兩片壓電片分別貼布於環形基片(6)的上下兩面上。
4.根據權利要求3所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述環狀壓電片由若干塊面積均等且相互絕緣的扇形壓電片(5)組成。
5.根據權利要求1至4任一項所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述彈性體⑶與壓電層⑷的厚度為相同或不同。
6.根據權利要求5所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述彈性體(3)與壓電層(4)疊堆的長度及位於彈性懸臂梁(2)上的位置均可調節。
7.根據權利要求6所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述彈性懸臂梁(2)的另一端連接輔助採集部件。
8.根據權利要求7所述的柱狀多方向疊堆式壓電能量採集裝置，其特徵在於:所述輔助採集部件為質量塊(8)或擋風板(7)。
【文檔編號】H02N2/18GK104184367SQ201410375854
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】陳仁文, 任龍, 曹暘, 夏樺康, 潘超 申請人:南京航空航天大學