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碰撞式壓電微能量收集器.pdf

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碰撞 壓電 能量 收集
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摘要
申請專利號:

CN201210160653.7

申請日:

2012.05.22

公開號:

CN102739107B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02N 2/18申請日:20120522|||公開
IPC分類號: H02N2/18 主分類號: H02N2/18
申請人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
發明人: 胡泓; 魏勝
地址: 518055 廣東省深圳市西麗深圳大學城哈工大校區D403
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210160653.7

授權公告號:

102739107B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2012.12.12|||2012.10.17

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種碰撞式壓電微能量收集裝置。所述裝置包括固定座、導桿、滑塊、壓電片、碰撞塊;所述固定座,由方管、防護罩和端蓋組成;所述導桿,固設于所述固定座上;所述滑塊,滑動地安裝于所述導桿上;所述壓電片,呈懸臂梁式設置在固定座上;所述碰撞塊,固設于所述壓電片的自由端,用于與滑動的滑塊發生碰撞以使所述壓電片振動并發電。本發明提供的技術方案,能夠提高裝置性能,延長使用壽命,提高能量收集效率,并基于人體運動的特點,將人體步行產生的機械能轉換為電能并為便攜式傳感器供電。

權利要求書

1.一種碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述裝置包括固定座、導桿、滑塊、壓電片、碰撞塊;
所述固定座,由方管、防護罩和端蓋組成;
所述導桿,固設于所述固定座上;
所述滑塊,滑動地安裝于所述導桿上;
所述壓電片,呈懸臂梁式設置在固定座上;
所述碰撞塊,固設于所述壓電片的自由端,用于與滑動的滑塊發生碰撞以
使所述壓電片振動并發電。
2.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述滑塊與所述壓電片平行安裝。
3.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述碰撞塊與所述滑塊的碰撞接觸面為兩個圓弧曲面,其中碰撞塊為非對
稱圓弧設計。
4.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述滑塊為圓柱滑塊,滑塊上設有多個圓弧突起,所述突起設計成圓弧面。
5.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述裝置安裝在腳踝位置時,所述滑塊往復移動與碰撞塊碰撞使壓電片持
續振動而輸出功率。
6.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述防護罩固設于方管的對應于壓電片一側用于保護壓電片。
7.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述導桿的一端為阻止端,用于防止端蓋脫落;
所述導桿的另一端設有螺紋,用于安裝螺母;
所述導桿的設螺紋的一端依次穿過一端蓋的通孔、圓柱滑塊及另一端蓋的
通孔后,在設螺紋的一端安裝螺母,將端蓋、導桿及方管緊固為一體。
8.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述方管、端蓋、導桿及碰撞塊為鋁材料。
9.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述滑中設有供導桿穿過的穿孔,且采用鋼材料制成。
10.根據權利要求1所述的碰撞式壓電微能量收集裝置,其特征在于:
所述碰撞塊固設于壓電片的自由端,對應于導桿的中間位置。

說明書

碰撞式壓電微能量收集器

技術領域

本發明涉及機電技術領域,具體涉及一種碰撞式壓電微能量收集器。

背景技術

目前,采用能量收集裝置從周圍獲取能量(如太陽能、熱能、電磁能以及
機械能等),并將其轉換為有用的電能從而取代電池的供電方式,已經作為一
種新的供電方式越來越引起人們的重視。上述能量中,機械能中的機械振動能
來源廣泛,如風力、旋轉機械、液體流動及人的運動等。與電池供電相比,這
種自供電方式可以減少污染和降低因更換電池導致的維護成本以及因耗盡電
能帶來的工作故障。

現有技術中,將機械振動能轉換為電能所采用的方法一般有三種:壓電式、
靜電式和電磁式,其中,基于壓電振動的微能量收集方式由于結構簡單、體積
小而得到廣泛地應用。壓電材料之所以能將機械振動轉換為電能,是因為在外
力的作用下壓電材料產生變形,它的表面會出現異號極化電荷從而產生電場,
它具有較高的能量密度,無需單獨的電源,將這種利用壓電效應而產生能量的
裝置稱為壓電微能量收集器(piezoelectric?micro?power?generator,PMPG)。

現有技術中,研究人員利用壓電材料的特性,針對不同的應用背景,采用
不同的機構和工作原理,開發了形式各異的壓電微能量收集器,以滿足不同需
要。典型壓電能量收集裝置一般都采用三層機構的矩形懸臂梁,上下兩層為壓
電材料,中間的金屬層用于提高結構剛性。這種設計的微懸臂梁通常工作在高
頻狀態(100Hz~300Hz),面外部工作環境中的振動形式通常具有頻率偏低、
頻率成分多的特點,振動結構的固有頻率難以與環境的輸入頻率匹配,使得微
懸臂梁工作在非諧振狀態而導致能量收集效果急劇下降。

現有的碰撞式壓電微能量收集方法大多是處于理論研究,采用不同的碰撞
體和壓電材料在激振器上進行實驗研究,包括圓球碰撞壓電薄膜、低頻長懸臂
梁碰撞高頻短壓電梁、皮帶抖動驅動壓電梁以及反復撥動壓電梁的方法。碰撞
力的大小、碰撞位置和碰撞接觸面直接影響壓電懸臂梁的工作穩定性、輸出功
率和使用壽命。發明人研究發現,現有的碰撞式壓電微能量收集往往存在以下
問題:

(1)碰撞接觸面沒有合理的設計,也沒有一定的保護措施,當外部剛體
直接碰撞壓電材料時會導致壓電材料破裂從而影響其使用壽命;

(2)碰撞力的大小不能得到有效控制,長期工作會導致壓電材料出現裂
紋甚至失效,另外碰撞作用位置不能更改或合理的設置,不能有效降低固定端
的沖量。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種便攜式碰撞壓電微能量收集器,能
夠提高裝置性能,延長使用壽命,提高能量收集效率,并基于人體運動的特點,
將人體步行產生的機械能轉換為電能并為便攜式傳感器供電。

本發明提供一種碰撞式壓電微能量收集裝置:

所述裝置包括固定座、導桿、滑塊、壓電片、碰撞塊;

所述固定座,由方管、防護罩和端蓋組成;

所述導桿,固設于所述固定座上;

所述滑塊,滑動地安裝于所述導桿上;

所述壓電片,呈懸臂梁式設置在固定座上;

所述碰撞塊,固設于所述壓電片的自由端,用于與滑動的滑塊發生碰撞以
使所述壓電片振動并發電。

其中,所述滑塊與所述壓電片平行安裝。

其中,所述碰撞塊與所述滑塊的碰撞接觸面為兩個圓弧曲面,其中碰撞塊
為非對稱圓弧設計。

其中,所述滑塊為圓柱滑塊,滑塊上設有多個圓弧突起,所述突起設計成
圓弧面。

其中,所述裝置安裝在腳蹀位置時,所述滑塊往復移動與碰撞塊碰撞使壓
電片持續振動而輸出功率。

其中,所述防護罩固設于方管的對應于壓電片一側用于保護壓電片。

其中,所述導桿的一端為阻止端,用于防止端蓋脫落;

所述導桿的另一端設有螺紋,用于安裝螺母;

所述導桿的設螺紋的一端依次穿過一端蓋的通孔、圓柱滑塊及另一端蓋的
通孔后,在設螺紋的一端安裝螺母,將端蓋、導桿及方管緊固為一體。

其中,所述方管、端蓋、導桿及碰撞塊為鋁材料。

其中,所述滑中設有供導桿穿過的穿孔,且采用鋼材料制成。

其中,所述碰撞塊固設于壓電片的自由端,對應于導桿的中間位置。

可以發現,與現有技術相比,本發明具有以下有益效果:

(1)本發明技術方案,碰撞的方法采用頻率向上轉換策略,利用外部低
頻振動驅動固有高頻的壓電懸臂梁,可以使壓電振動能量收集不受外部輸入的
限制,能有效地提高能量收集效率。

(2)本發明技術方案,平行碰撞的方法使得結構緊湊并能節約空間,從
而提高能量收集密度;

(3)本發明技術方案,多個突起使得壓電梁在一個周期內承受多次碰撞,
并保持連續地變形,從而增大輸出功率;

(4)本發明技術方案,通過調節碰撞體和碰撞塊之間的間隙,可以合理
的設置碰撞作用位置,保證壓電梁的工作性能,延長使用壽命;

(5)本發明技術方案,便攜式的設計可以轉換人體運動的機械能并給附
加在人體的微電子設備或嵌入式的無線傳感器供電。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施
例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述
中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付
出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發明碰撞壓電微能量收集器的裝配示意圖;

圖2是本發明碰撞壓電微能量收集器的結構分解示意圖;

圖3是本發明碰撞壓電微能量收集器的運動部分裝配主視圖;

圖4是本發明碰撞壓電微能量收集器的運動原理圖;

圖5是本發明碰撞壓電微能量收集器的去程運動示意圖;

圖6是本發明碰撞壓電微能量收集器的回程運動示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清
楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例,而不是
全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有作出創造
性勞動前提下所獲得的所有其它實施例,都屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例提供一種便攜式碰撞壓電微能量收集器,具有結構緊湊、能
量密度大、性能穩定等的特點,該裝置能夠基于人體運動的特點,將人體步行
產生的機械能轉換為電能并為便攜式傳感器供電。

該碰撞式壓電微能量收集器,主要包括固定座和固設于固定座上的導桿;
滑動地安裝于導桿上的多突起碰撞體;呈懸臂梁式設置在固定座上的壓電片;
固設于壓電片的自由端的且用于與滑動的碰撞體發生碰撞以使壓電片振動并
發電的碰撞塊。上述結構,通過在壓電片固定端增加塞尺可以調節碰撞體與壓
電片自由端碰撞塊之間的間隙,從而調整碰撞力大小和碰撞作用位置。

下面結合附圖,詳細介紹本發明的內容。其中圖中各附圖標記的含義如下:
1-防護罩,2-端蓋,3-圓柱滑塊,4-方管,5-導桿,6-碰撞塊,7-壓電片,8-固
定座。

圖1是本發明碰撞壓電微能量收集器的裝配示意圖;圖2是本發明碰撞壓
電微能量收集器的結構分解示意圖。

如圖1和圖2所示,壓電能量收集裝置主要包括固定座8、固設于固定座
8上的導桿5、滑動地安裝于導桿5上的圓柱滑塊3、呈懸臂梁式設置于固定
座8上的壓電片7及固設于壓電片7上的碰撞塊6。

其中,所述固定座8包括方管4、固設于方管4兩端的端蓋3、固定于方
管4的外表面防護罩1。其中,方管4可以為橫截面為四方形的長管,內部為
通孔。兩個端蓋2設于方管4的兩端,端蓋1的中間也設有通孔,兩通孔由導
桿5依次穿過并通過在導桿5的設螺紋的一端安裝螺母以進行緊固。防護罩1
固設于方管4的對應于壓電片7一側,用于保護壓電片7,防止外力破壞,還
可以防止壓電片7振動時變形過大而破裂。

導桿5的一端為阻止端,用于防止端蓋2脫落,另一端設有螺紋,用于安
裝螺母。組裝時,導桿5的設螺紋的一端依次穿過一端蓋2的通孔、圓柱滑塊
3及另一端蓋2的通孔后在設螺紋的一端安裝螺母,從而將端蓋2、導桿5及
方管4緊固為一體。其中,由于整個壓電能量收集裝置是便攜式的,因此為減
輕重量,方管4、端蓋2、導桿5及碰撞塊6均采用鋁材料。

圓柱滑塊3中設有供導桿5穿過的穿孔,且采用鋼材料制成,以增加質量
進而增大動量,在與碰撞塊6發生碰撞時可以增大沖量使得壓電片7易發生彎
曲變形。

壓電片7呈懸臂梁式設置于固定座8上,一端通過螺釘固定在方管上,另
一端作為自由端粘貼有碰撞塊6。壓電片7與導桿5平行設置。

如圖3所示,是本發明的碰撞式壓電微能量收集器的運動部分裝配主視
圖。

碰撞塊6固設于壓電片7的自由端,對應于導桿5的中間位置,也即在靜
止狀態下,碰撞塊6懸置于導桿5的中間位置的上方。

如圖4所示,是本發明碰撞壓電微能量收集器的運動原理圖。

碰撞塊6用于與圓柱滑塊3上的突起發生碰撞以使壓電片7振動并發電。
碰撞塊6的末端設計成非對稱圓弧面(半徑分別為Rs和Rl),圓柱滑塊3上
的突起也設計成圓弧面(半徑為Rr),圓弧型的接觸面使得圓柱滑塊3在碰撞
后能輕易通過,減少剛性碰撞。另外,圓柱滑塊3上的多個突起可以保證在移
動的過程中產生多次碰撞,從而提高輸出功率。

δ表示圓柱滑塊3上的突起與之間的重疊部分,是影響能量輸出的一個
重要因素。如果δ≤0,則滑塊3在移動的過程中不與碰撞塊6發生接觸,壓
電梁不會發生變形從而沒有功率輸出。若δ>0但過小,在碰撞的過程中壓電
雙晶梁的變形也很小,沒有有效地利用壓電梁的發電效果。若δ過大,會導
致圓柱滑塊3無法頂起壓電梁而繼續移動,或者說卡住,同樣也沒有輸出電壓。

根據所使用的壓電片7的特性,在設計與安裝時通過在壓電片7的固定端
增加塞尺來合理的設置δ的大小,既可以更有效的利用壓電片,又要避免在
工作過程中卡住甚至撞壞壓電片。

圖5是本發明碰撞壓電微能量收集器的去程運動示意圖。如圖5所示為圓
柱滑塊3沿導桿5從壓電片7對應的固定端向碰撞塊6方向滑動過程中的受力
分析情況,以下簡稱去程。

在去程中,碰撞的作用力F沿相接觸的兩圓弧切點處的法線方向,該力可
以分解為沿x方向和y方向的分力Fx和Fy,且方向垂直,兩個分力對于壓電
片7固定端的彎矩方向一致,從而有利于頂起壓電片7。所述圓柱滑塊3上的
突起與碰撞塊6的接觸面為圓弧面,此種設計可以保證圓柱滑塊3在頂起壓電
片7后很輕易地向前繼續移動,此時壓電基片7在自身的諧振頻率下做衰減振
動。

圖6是本發明碰撞壓電微能量收集器的回程運動示意圖。如圖6所示為圓
柱滑塊3沿導桿5從壓電片7對應的自由端向固定端方向滑動過程中的受力分
析情況,以下簡稱回程。

回程碰撞時的作用力F′沿相接觸的兩圓弧切點處的法線方向,該力可以
分解為沿x方向和y方向的分力Fx′和Fy′,且方向垂直,Fy′使得壓電片
7向上彎曲,而Fx′產生的彎矩使得壓電片7向下彎曲,Fx′使壓電片7拱起
不利于壓電基片40向上彎曲變形而產生振動。

請一并參考圖5和圖6,Rs小于Rl的非對稱設計使得F′與水平方向的
夾角α要大于F與水半方向的夾角θ,這樣可以增大沿豎直方向的分力Fy′,
減小沿水平方向的分力Fx′,從而使得壓電片7更易向上彎曲變形。

作為一種實施方式,本發明方案提供的壓電微能量收集裝置可以綁定于用
戶的腳踝位置,從而當人走動時,圓柱滑塊3就會往復移動與碰撞塊6碰撞使
壓電片7持續振動而輸出功率,通過儲能電路就可以收集所產生的電能,并給
人體健康檢測傳感器或便攜式微電子裝置供電。

可以發現,本發明獨特的平行碰撞可以有效的限制碰撞力過大而導致壓電
材料破裂,圓弧接觸面可以保證碰撞后圓柱滑塊較易通過而繼續移動,多個突
起可以使得一個周期內發生多次碰撞,從而增大輸出功率。碰撞塊的非對稱圓
弧設計,可以提高回程碰撞的作用效果。便攜式的結構設計可以安裝在人的腳
踝位置,將人體運動的動能轉換為電能可以給人體健康檢測傳感器或便攜式微
電子裝置供電。

本發明提供的壓電微能量收集裝置,在保證性能穩定的前提下,可以增大
輸出功率,提高能量收集效率,具有結構緊湊、能量密度大的特點。壓電微能
量收集裝置還可以綁定在人的腳踝位置,將人運動的動能轉換為電能可以給人
體健康檢測傳感器或便攜式微電子裝置供電。

以上對本發明實施例所提供的壓電微能量收集裝置,進行了詳細介紹,本
文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述,以上實施例的說
明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想;同時,對于本領域的一般技
術人員,依據本發明的思想,在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處,
綜上所述,本說明書內容不應理解為對本發明的限制。

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