专利名称：多工作模态压电发电机及其发电方法
技术领域：
本发明涉及一种压电发电机及其发电方法，尤其涉及一种利用压电元件的多工作
模态压电发电机及其发电方法。
背景技术：
压电发电机是利用压电效应将机械振动或随时间变化的应变转换成电能的装 置。在压电发电机中，和电子整流器相连接的一个或多个压电元件被粘结在金属薄片上， 金属薄片的一部分或一端则被固定在发电机的支架上。当发电机被置于一振动面上或受 到机械冲击时，在压电元件的两端会产生交流电压，此交流电压通过电子整流器对外部的 电池或电容充电。在现有的压电发电机中，压电元件利用单一的工作模态，要么只利用压 电片的拉伸和压縮模态即利用k31振动模态，要么只利用压电片的冲击模态即利用k33 振动模态参考文献1 :S.R. Anton and H. A. Sodano， "A review of power harvesting usingpiezoelectric materials(2003-2006)，"Smart materials and Structure,vol. 16， Rl-21，May2007.。只使用单一工作模态导致振动能量不能被压电元件充分利用，限制了压 电发电机的发电能力。
发明内容
本发明目的是为了克服现有的压电发电机不能充分利用振动能量的不足，提供一 种多工作模态压电发电机，该发电机把工作在敲击模态和拉伸压縮模态的压电元件集成在 同一发电机不同部位，以提高振动能量的利用率、提高发电机的发电能力。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明多工作模态压电发电机，包括两个框架、悬臂梁、平板金属质量块、压电片、 第一和第二压电元件、第一和第二缓冲块、两个空心圆筒组成的支柱和螺杆结构，其中两个 框架之间通过两个空心圆筒组成的支柱间隔，螺杆结构穿过支柱与两个框架的根部紧固， 支柱的中部设置悬臂梁，悬臂梁的端部粘帖平板金属质量块，悬臂梁的根部粘帖压电片，在 两个框架的端部与平板金属质量块分别对应设置第一和第二缓冲块，第一和第二缓冲块与 两个框架之间分别粘帖第一和第二压电元件。 所述第一和第二缓冲块与平板金属质量块对应的面为凸形光滑曲面或平板结构。
所述平板金属质量块与悬臂梁之间设置第三压电元件。 所述两个框架的端杆都为金属薄片悬臂梁，所述金属薄片悬臂梁分别通过螺杆结 构与两个框架的根部固定，所述金属薄片悬臂梁根部分别设置压电元件。 多工作模态压电发电机的发电方法，发电机悬臂梁振动，悬臂梁端部的平板金属 质量块敲击与其对应设置的带有第一和第二缓冲块的第一和第二压电元件，使得第一和第 二压电元件受到压縮而发电。 发电机悬臂梁的振动拉伸和压縮压所述电机悬臂梁根部设置的电元件，从而发 电。
当平板金属质量块与敲击与其对应设置的带有第一和第二缓冲块的第一和第二
压电元件时，所述平板金属质量块与悬臂梁之间设置的第三压电元件受到压縮而发电。 所述两个框架的端杆都为金属薄片悬臂梁，所述金属薄片悬臂梁根部分别设置压
电元件，当平板金属质量块敲击与其对应设置的带有第一和第二缓冲块的第一和第二压电
元件时，金属薄片悬臂梁的振动拉伸和压縮压电元件，从而发电。 悬臂梁的共振频率和所述压电发电发电机的振动频率一致。 本发明专利的有益效果是可以利用一台压电发电机中工作在不同模态的压电元 件进行发电，从而充分利用振动能量、增加发电机的输出电能。实验测量表明对于一定的 压电发电机的振动，本发明专利中的压电发电机的输出电能是现有的悬臂梁结构压电发电 机的3倍或以上。实验测量的方法和条件如下压电发电机被置于一个弹簧上；使用一个 外力将发电机和弹簧向下压；然后突然移去此外力；测试因压电发电机的振动而产生的电 能；比较利用本发明的发电机的输出电能和现有的悬臂梁结构压电发电机的输出电能。
图1 :实施例1的压电发电机结构图。
图2 :实施例2的压电发电机结构图。
图3 :实施例3的压电发电机结构图。
图4 :实施例4的压电发电机结构图。 图中，l :发电机的框架；2 :发电机的悬臂梁；3 :悬臂梁端部的质量块；4，5，6，17， 20，21 :压电片；7，8 :缓冲块；9 :由两个空心的金属圆筒组成的发电机的支柱；10,11 :具有 光滑外凸表面的金属块；12,24 :螺杆结构；13，14，15，16:引线；18,19 :被悬臂梁化的发电
机框架部分(框架悬臂梁)；22,23 :发电机框架的根部。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明
实施例1的压电发电机如图1所示。 发电机的上下框架1、金属薄片悬臂梁2和两个金属空心圆筒组成的支柱9由螺 杆结构12连成一体。作为悬臂梁的质量块，金属平板3被粘结在悬臂梁的端部。压电片4 被粘结在悬臂梁的根部，离发电机的支柱9为3mm。压电片5和6被粘结在发电机框架(1) 的端部。缓冲块7和8被粘结在压电片5和6的表面。压电片5和6设在能被振动质量块 3敲击的位置。 发电机上下框架包括根部22的长为60mm、宽为20mm、根部以外部分的厚度 为2mm，其根部22的长为10mm、宽为20mm、厚为10mm。上下框架之间的距离为46mm.金 属薄片悬臂梁2的形状为长方形，支柱外的尺寸为60mm(长)X20mm(宽)XO. 2mm(厚)； 质量块3的形状为长方形，尺寸为;30mm(长)X加mm(宽)X3mm(厚)；压电片(4)的 形状为长方形，尺寸为10mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片5、6的形状为正方 形，尺寸为20mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；缓冲块7和8的形状为长方形，尺寸为 18mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)。
发电机的上下框架1的材料为硬塑料板；悬臂梁的材料为黄铜；金属平板3的材料为生铁；缓冲块7和8的材料为铝；压电片4、5和6的材料为PZT压电陶瓷。 压电片4、5和6分别连接到各自的电子整流器上。电子整流器的输出以并联的方
法连接到30yF的电容器上。在测试中，压电发电机被置于一个弹性系数为1190N/m的弹
簧上；使用一个外力将发电机和弹簧向下压18mm ;然后突然移去此外力；测试因压电发电
机的阻尼振动而产生的电能。所测得的发电机的总输出电能为38nJ。 实施例2的压电发电机如图2所示。 发电机的上下框架1、金属薄片悬臂梁2和两个金属空心圆筒组成的支柱9由螺杆 结构12连成一体。作为悬臂梁的质量块，金属平板3被粘结在悬臂梁的端部。压电片4被 粘结在悬臂梁的根部，离发电机的支柱9为3mm。压电片5和6被粘结在发电机框架1的端 部。缓冲块10和11被粘结在压电片5和6的表面。压电板5和6设在能被振动质量块3 敲击的位置。 发电机上下框架包括根部22的长为60mm、宽为20mm、根部以外部分的厚度 为2mm，其根部22的长为10mm、宽为20mm、厚为10mm。上下框架之间的距离为46mm.金 属薄片悬臂梁2的形状为长方形，支柱外的尺寸为60mm(长)X20mm(宽)XO. 2mm(厚)； 质量块3的形状为长方形，尺寸为30mm(长)X20mm(宽)X3mm(厚)；压电片4的形状为 长方形，尺寸为10mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片5、6的形状为正方形，尺寸为 20mm (长)X 20mm (宽)X 2mm (厚)；缓冲块10和11为球体的一部分，其凸面的曲率半径为 21. 3mm、最厚处的厚度为2mm。
发电机的上下框架1的材料为硬塑料板；悬臂梁的材料为黄铜；金属平板3的材
料为生铁；缓冲块10和11的材料为铝；压电片4、5和6的材料为PZT压电陶瓷。 压电片4、5和6分别连接到各自的电子整流器上。电子整流器的输出以并联的方
法连接到30iiF的电容器上。压电发电机被置于一个弹性系数为1190N/m的弹簧上，使用
一个外力将发电机和弹簧向下压18mm，然后突然移去此外力，发电机将做阻尼振动。由此振
动而产生的发电机总输出电能为1.7ii J。 实施例3的压电发电机如图3所示。 发电机的上下框架1、金属薄片悬臂梁2和两个金属空心圆筒组成的支柱9由螺杆 结构12连成一体。作为悬臂梁的质量块，金属平板3被粘结在悬臂梁的端部。压电片4被 粘结在悬臂梁的根部，离发电机的支柱9为3mm。压电片5和6被粘结在发电机框架1的端 部。两片压电片17被粘结在质量块3和悬臂梁2之间。缓冲块10和ll被粘结在压电片 5和6的表面。压电板5和6设在能被振动质量块3敲击的位置。压电元件17的引线16 被粘结在悬臂梁2的表面并从悬臂梁2的根部引出，以防止引线因振动而脱落。
发电机上下框架1的长为60mm包括根部22、宽为20mm、根部以外部分的厚度 为2mm，其根部22的长为10mm、宽为20mm、厚为10mm。上下框架之间的距离为46mm.金 属薄片悬臂梁2的形状为长方形，支柱外的尺寸为60mm(长)X20mm(宽)XO. 2mm(厚)； 质量块3的形状为长方形，尺寸为;30mm(长)X加mm(宽)X10mm(厚)；压电片4的 形状为长方形，尺寸为10mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片5、6的形状为正方 形，尺寸为20mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片17的形状为长方形，尺寸为 32mm(长)X20mm(宽)Xlmm(厚)；缓冲块10和11为球体的一部分，其凸面的曲率半径为 21. 3mm、最厚处的厚度为2mm。
发电机的上下框架1的材料为硬塑料板；悬臂梁的材料为黄铜；金属平板(3)的 材料为生铁；缓冲块10和11的材料为铝；压电片4、5、6和17的材料为PZT压电陶瓷。
压电片4、5、6和17分别连接到各自的电子整流器上。电子整流器的输出电压以 并联的方法连接到30yF的电容器上。压电发电机被置于一个弹性系数为1190N/m的弹 簧上，使用一个外力将发电机和弹簧向下压18mm，然后突然移去此外力，发电机将做阻尼振 动。由此振动而产生的发电机总输出电能为3.0ii J。
实施例4的压电发电机如图4所示。 发电机的上下框架的根部23、金属薄片悬臂梁2和两个金属空心圆筒组成的支柱 9由螺杆结构12连成一体。作为悬臂梁的质量块，金属平板3被粘结在悬臂梁的端部。压 电片4被粘结在悬臂梁的根部，离发电机的支柱9为3mm。发电机上下框架的一部分被做成 悬臂梁结构18和19。 18和19被称为框架悬臂梁。框架悬臂梁18或19的一端被螺杆结 构24固定在框架的根部23。压电片5和6被粘结在发电机框架悬臂梁18和19的另一个 端部。两块压电片17被粘结在质量块3和悬臂梁2之间。缓冲块10和11被粘结在压电 片5和6的表面。压电板5和6设在能被振动质量块3敲击的位置。压电元件17的引线 16被粘结在悬臂梁2的表面并从悬臂梁2的根部引出，以防止引线因振动而脱落。压电元 件(5) (6)的引线被粘结在框架悬臂梁18、19的表面上并从悬臂梁18、19的根部引出，以防 止引线因振动而脱落。 发电机上下框架包括框架悬臂梁18、19和根部23的长为60mm、宽为20mm， 其根部23的长为18mm、宽为20mm。框架悬臂梁18和19的形状为长方形，根部外的 尺寸为42mm(长)X20mm(宽)X0. 2mm(厚)。上下框架之间的距离为46mm.金属薄 片悬臂梁2的形状为长方形，支柱外的尺寸为60mm(长)X20mm(宽)X0.2mm(厚)； 质量块3的形状为长方形，尺寸为30mm(长)X20mm(宽)X 2. Omm(厚)；压电片4 的形状为长方形，尺寸为10mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片5、6的形状为 正方形，尺寸为20mm(长)X20mm(宽)X2mm(厚)；压电片17的形状为长方形，尺 寸为32mm(长)X20mm(宽)Xlmm(厚)；压电片20和21的形状为长方形，尺寸为 12mm(长)X20mm(宽)Xlmm(厚)，离根部233mm。缓冲块10和11为球体的一部分，其凸 面的曲率半径为21. 3mm、最厚处的厚度为2mm。 发电机的上下框架1的材料为硬塑料板；悬臂梁的材料为黄铜；金属平板3的材 料为生铁；缓冲块10和11的材料为铝；压电片4、5、6、17、20和21的材料为PZT压电陶瓷。
压电片4、5、6、17、20和21分别连接到各自的电子整流器上。电子整流器的输出 以并联的方法连接到30yF的电容器上。压电发电机被置于一个弹性系数为1190N/m的弹 簧上，使用一个外力将发电机和弹簧向下压18mm，然后突然移去此外力，发电机将做阻尼振 动。由此振动而产生的发电机总输出电能为3. li!j。
权利要求
一种多工作模态压电发电机，其特征是包括两个框架(1)、悬臂梁(2)、平板金属质量块(3)、压电片(4)、第一和第二压电元件(5、6)、第一和第二缓冲块(7、8)、两个空心圆筒组成的支柱(9)和螺杆结构(12)，其中两个框架(1)之间通过两个空心圆筒组成的支柱(9)间隔，螺杆结构(12)穿过支柱(9)与两个框架(1)的根部(22)紧固，支柱(9)的中部设置悬臂梁(2)，悬臂梁(2)的端部粘帖平板金属质量块(3)，悬臂梁(2)的根部粘帖压电片(4)，在两个框架(1)的端部与平板金属质量块(3)分别对应设置第一和第二缓冲块(7、8)，第一和第二缓冲块(7、8)与两个框架(1)之间分别粘帖第一和第二压电元件(5、6)。
2. 根据权利要求1所述的多工作模态压电发电机，其特征是所述第一和第二缓冲块 (7、8)与平板金属质量块(3)对应的面为凸形光滑曲面或平板结构。
3. 根据权利要求1或2所述的多工作模态压电发电机，其特征是所述平板金属质量 块(3)与悬臂梁(2)之间设置第三压电元件(17)。
4. 根据权利要求1或2或3所述的多工作模态压电发电机，其特征是所述两个框架 (1)的端杆都为金属薄片悬臂梁，所述金属薄片悬臂梁分别通过螺杆结构与两个框架(1) 的根部固定，所述金属薄片悬臂梁根部分别设置压电元件。
5. —种基于权利要求1所述的多工作模态压电发电机的发电方法，其特征是发电机 悬臂梁(2)振动，悬臂梁(2)端部的平板金属质量块(3)敲击与其对应设置的带有第一和 第二缓冲块(7)和(8)的第一和第二压电元件(5)和(6)，使得第一和第二压电元件(5)和 (6)受到压縮而发电。
6. 根据权利要求5所述的多工作模态压电发电机的发电方法，其特征是发电机悬臂 梁(2)的振动拉伸和压縮压所述电机悬臂梁(2)根部设置的电元件(4)，从而发电。
7. 根据权利要求5或6所述的多工作模态压电发电机的发电方法，其特征是当平板 金属质量块(3)与敲击与其对应设置的带有第一和第二缓冲块(7)和(8)的第一和第二 压电元件(5)和(6)时，所述平板金属质量块(3)与悬臂梁(2)之间设置的第三压电元件 (17)受到压縮而发电。
8. 根据权利要求5或6或7所述的多工作模态压电发电机的发电方法，其特征是所述 两个框架(1)的端杆都为金属薄片悬臂梁，所述金属薄片悬臂梁根部分别设置压电元件， 当平板金属质量块(3)敲击与其对应设置的带有第一和第二缓冲块(7)和(8)的第一和第 二压电元件(5)和(6)时，金属薄片悬臂梁的振动拉伸和压縮压电元件，从而发电。
9. 根据权利要求5或6或7所述的多工作模态压电发电机的发电方法，其特征是悬 臂梁的共振频率和所述压电发电机的振动频率一致。
全文摘要
本发明公布了一种多工作模态压电发电机及其发电方法，把工作在拉伸和压缩模态即k31模态和工作在冲击模态即k33模态的压电元件集成在一个发电机中的不同部位。此压电发电机由一个支架结构、一条在端部带有质量块的薄金属片悬臂梁、数个压电片、以及缓冲块所构成。薄金属片悬臂梁的一端被固定发电机的支架上，另一端带有质量块。压电片可以被粘结在悬臂梁表面上、发电机框架的端部、质量块和悬臂梁之间、以及被悬臂梁化的发电机框架的表面。当发电机上下振动时，压电片或因被敲击或因被拉伸和收缩而发电。此发明所描述的方法能使得压电发电机充分利用从外界获得的振动能量，进而能提高压电发电机的发电效率。
文档编号H02N2/18GK101764531SQ201010102509
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者李华峰, 胡俊辉, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学