一种分块悬臂梁结构的压电地板装置制造方法
【专利摘要】本发明一种分块悬臂梁结构的压电地板装置属于基于压电材料的能量收集领域，涉及一种分块悬臂梁结构的压电地板装置，将行人踩踏地板产生的势能通过压电片转换电能装置。该装置中,不同形状的整体式压电地板由若干个六边形压电单元组成,每个六边形压电单元由盖板、固定压板、压电片、基板、底板和螺钉组成。本发明是把周边固定支撑方式的多边形压电结构通过分块的方式变成长悬臂梁支撑方式来提高位移量和输出功率值。应用于行人密集的地方，如火车站，地铁站，步行街等地，通过连接LED和储能元件的方式，在行走过程中给行人提供照明，此装置重量轻、体积小、发电量大，具有广泛应用的前景。
【专利说明】一种分块悬臂梁结构的压电地板装置
【技术领域】
[0001]本发明属于基于压电材料的能量收集领域，涉及一种分块悬臂梁结构的压电地板装置，将行人踩踏地板产生的势能通过压电片转换电能装置。
【背景技术】
[0002]目前压电地板结构单元主要有圆盘形压电结构、叠堆形压电结构、拱形压电结构、桥形压电结构、钹形压电结构、悬臂梁等。目前大部分应用于研究的是周边固定支撑方式的长方形和圆盘形压电结构，如 2011 年 PisharodyHarikrishnan G 在 Innovative Smart GridTechnologies-1ndia ISGT India, IEEE PES 的第 244-247 页中发表了题目为 “An optimaldesign for piezoelectric energy harvesting system，，论文。文章中描述了米用压电圆盘结构制作压电地毯。中国科学院上海硅酸盐研究所的专利号201110283546.9，名称为“一种压电能量收集单元及其应用”的专利，该专利中采用了圆盘和长方形压电结构能量收集单元。上述压电结构技术相对成熟，输出功率大，结构稳定，承载力大，但是由于方形和圆盘形压电结构采用周边固定支撑方式，因此，压电材料变形小，没有充分地发挥发电能力。
【发明内容】
[0003]本发明的目的克服现有技术的不足，发明一种分块悬臂梁结构的压电地板装置，发明是将周边固支或边界自由支撑的圆盘压电结构和方形压电结构通过分块成六边形压电单元的方式，取消相互的制约，使压电片成为三角形悬臂梁压电结构；在保持人的踩踏舒适度的前提下，充分利用悬臂梁易产生大挠度的优点来设计发电结构单元提高输出功率。
[0004]本发明采用的技术方案是一种分块式压电悬臂梁的压电地板装置，其特征是，该装置中，不同形状的整体式压电地板7由若干个六边形压电单元组成，每个六边形压电单元由盖板1、固定压板2、压电片3、基板4、底板5和螺钉6组成；基板4安装在具有内腔的底板5上,六个压电片3分别粘接在六个基板4的前部三角形部分上,六个基板4以环绕的形式安装在底板5上；压板2安装在基板4上面，使压电片3成为三角形悬臂梁压电结构；并通过螺钉6将压板2、基板4和底板5固定在一起；下表面中心具有一个凸台的盖板I安装在压板2上面，并使下表面中心凸台压在六个压电片3的三角形顶端。
[0005]本发明的效果和益处与现有技术相比，采用压电片悬臂梁支撑方式，把整体式压电结构通过三角形分块的方式来消除相互制约，使得压电片变形更大，在保持行走舒适度的前提下通过提高位移量来提高功率。本发明应用于行人密集的地方，比如火车站，地铁站，步行街等地通过连接LED和储能元件的方式，在行走过程中给行人提供照明，且此结构重量轻体积小发电量大具有广泛应用的前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是六边形压电单元的结构图。
[0007]图2是去掉盖板的六边形压电单元结构图。[0008]图3是去掉盖板和压板的六边形压电单元结构图。其中:1_盖板、2-固定压板、3-压电片、4-基板、5-底板、6-螺钉。
[0009]图4是安装有16个顶角为60度的正三角形压单元的分布示意图。其中:7_压电地板。
[0010]图5是压电片和基板厚度相同的压电地板输出功率曲线图。其中al-采用顶角为60度的压电片三角形悬臂梁输出功率曲线图，a2-顶角为90度的压电片三角形悬臂梁输出功率曲线图，a3-顶角为120度的压电片三角形悬臂梁输出功率曲线图，a4-圆盘形压电结构输出功率曲线图。
[0011]图6是自由端位移相同情况下的压电地板输出功率比较曲线图。其中，bl_顶角为60度的三角形悬臂梁输出功率曲线图，b2-顶角为90度的三角形悬臂梁输出功率曲线图，b3-顶角为120度的三角形悬臂梁输出功率曲线图，b4-圆盘形压电结构输出功率曲线图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0013]压电地板收集能量是通过利用压电材料的正压电效应，把机械能转换成电能，通过压电地板把人行走时产生的重力势能转换成电能，实时为地面上的LED灯提供电能进行照明。人踩踏所产生的力方向是垂直向下，把这个方向的作用力充分利用起来是设计发电地板的关键，因此，本发明的分块悬臂梁结构的压电地板能量收集装置的工作原理是把整体式压电结构通过分块形成悬臂梁式压电地板单元，压电悬臂梁的形状来说，近年来研究表明三角形形状的功率密度比同样底边长和高度的长方形大，因此，本专利采用三角形悬臂梁作为分块式压电结构单元。不同形状的整体式结构可以分块成多个三角形分块悬臂梁压电结构，方形结构分成四个直角三角形悬臂梁压电结构，三角形分成120度三角形悬臂梁压电结构，六边形分成六个正三角形悬臂梁压电结构单元或者其他角度三角形结构，N多边形可以分块成底边等于多边形的斜边长、顶角为360/N度的三角形，多个三角形压电片和基板通过压板固定在底板上，实时的给LED提供电能。压电式地板单元结构的关键核心是保持人的踩踏舒适度，当人行走时踩踏舒适度范围在O到3mm之间，因此，向下位移一般不超过3mm的情况下压电悬臂梁结构产生充分的变形，来提高机电转换效率。在附图1、附图2、附图3中，该装置中的六边形压电单元由盖板1、压板2、压电片3、基板4、底板5和螺钉6组成。固定压板2和基板4通过螺钉6固定在底板5上，盖板I中心的凸起部分压在压电片顶端，当有踩踏时，盖板I的凸起使得压电片在底板5的内腔空间变形。
[0014]实施例1，采用六边形压电单元组成的压电地板7:
[0015]顶角为60度、斜边长为25mm的三角形结构的压电片3和基板4的厚度分别为
0.2mm和0.4mm。压电片3的材料要根据具体应用来选取。比如，可以选择压电单晶，如银镁酸铅-钛酸铅PMN-PT、无铅压电材料、钛酸铋钠-钛酸钡NBBT等具有较好压电性能或价格相对廉价的压电片材料。可以选择圆形、方形、三角形、六边形等形状按尺寸切割，把选取好的六个正三角形压电片分别粘贴在六个基板4上,六个基板4以环绕的形式安装在底板5上，装上压板2，并用螺钉6固定在底板5。基板4的材质和尺寸可以根据具体需要选取弹性好、可焊性好和抗疲劳性突出的材料，如磷青铜、猛钢、不锈钢等。为了使压电片3产生充分的变形，底板5上具有内腔，固定压板4采用绝缘、重量轻、有硬度的塑料材料，如选用ABS材料、SLA材料等。利用盖板I上的凸起使六个压电三角形悬臂梁同时产生变形，给外接的负载提供电能。图4是16个六边形压电单元组成的压电地板7，压电地板尺寸为25cmX30cm,六边形压电单元覆盖率达到90%。
[0016]实施例2，采用4个三角形悬臂梁围成一个方形压电单元:
[0017]顶角为90度、斜边长为25mm的三角形结构的压电片3和磷青铜基板4的厚度分别为0.17mm和0.34mm。4个90度三角形悬臂梁围成一个方形为一个单元，制作90度三角形压电结构单元包括悬臂梁压电片，底板，压板，盖板，安装方式如同实例I。同样在25cmX 30cm地板上，可以铺设20个方形压电单元，覆盖率达到84%。
[0018]实施例3，采用3个120度三角形悬臂梁围成一个方形压电单元:
[0019]顶角为120度、斜边长为25mm的三角形结构压电片3和磷青铜基板4的厚度分别为0.13mm和0.26mm。3个120度三角形压电悬臂梁围成一个方形压电单元，安装方式如同实例I。同样在25cmX 30cm地板上可铺设20个方形压电单元，覆盖率达到84%。
[0020]通过ANSYS软件仿真比较不同结构的压电地板在同样厚度和同样位移下的输出功率曲线图。图4和图5分别表示当IOOkg的行人踩踏20cmX20cm的地板时输出功率曲线图，顶角为60度、90度、120度以及圆盘压电地板的压电片3和基板4的厚度分别为
0.2/0.4mm，在承载IOOkg的行人时，承受的力分别为10.2NU5.3Ν、20.4Ν、61.2Ν。输出功率曲线分别如图5中al、a2、a3、a4所示，位移量分别为2.0OmmU.362mm、0.64mm、0.49mm。各个三角形自由端都发生2mm位移下，顶角为60度、90度、120度以及圆盘压电结构单元的压电片厚度和基板厚度分别为 0.2mm/0.4mm、0.1 7mm/0.34mm、0.13mm/0.26mm、0.125mm/0.25mm。
[0021]I)当压电地板由16个六边形压电单元组成，每个六边形压电单元由6个斜边长为25mm的顶角为60度的三角形悬臂梁围成一个六边形压电单元，压电片和基板厚度分别为0.2mm和0.4mm时产生的位移变量为2mm，输出功率曲线分别是al和bl。
[0022]2)当压电地板由16个四边形压电单元组成，每个四边形压电单元由4个斜边长为25mm的顶角为90度的三角形悬臂梁围成一个四边形压电单元，压电片和基板厚度分别为0.2_和0.4mm时输出功率曲线a2，位移变量为1.362_。当位移变量设定为2_，压电片和基板厚度分别0.17mm和0.34_，此时输出的功率曲线b2。
[0023]3)当压电地板由16个三角形压电单元组成，每个三角形压电单元由三个斜边长为25mm的顶角为120度的三角形悬臂梁围成一个三角形压电单元。压电片和基板厚度分别为0.2mm和0.4mm时输出功率曲线a3，位移变量为0.49mm。当位移变量设定为2mm，压电片和基板厚度分别0.125mm和0.25mm时输出的功率曲线b3。
[0024]4)当压电地板由16个圆盘构成，每个圆盘中，基板半径为25mm,压电片半径为20_。当压电片和基板厚度分别为0.2_和0.4_时输出功率曲线a4，位移变量为0.64mm ；当位移变量设定为2mm，压电片和基板厚度分别0.13mm和0.26mm时输出的功率曲线b4。
[0025]在同样厚度下进行比较，16个六边形压电单元组成的压电地板输出功率al最大，16个圆盘结构单元输出功率a4最小。在同样位移量下比较三个三角形压电单元构成的压电地板输出功率值bl、b2、b3相近,16个圆盘结构单兀的输出功率b4最小。若发生同样的踩踏下陷位移时，比较三个分块三角形所用的压电片和基板材料体积，顶角为120度三角形比较经济。因此，在不同应用情况下可以选取不同形状的压电单元来制作压电地板。
【权利要求】
1.一种分块悬臂梁结构的压电地板装置，其特征是，该装置中，不同形状的整体式压电地板(7)由若干个六边形压电单元组成，每个六边形压电单元由盖板(I)、固定压板(2)、压电片(3)、基板(4)、底板(5)和螺钉(6)组成；基板(4)安装在具有内腔的底板(5)上,六个压电片(3)分别粘接在六个基板⑷的前部三角形部分上，六个基板⑷以环绕的形式安装在底板5上；压板(2)安装在基板(4)上面，使压电片(3)成为三角形悬臂梁压电结构；并通过螺钉(6)将压板(2)、基板(4)和底板(5)固定在一起；下表面中心具有一个凸台的盖板(I)安装在压板(2)上面，并使下表面中心凸台压在六个压电片(3)的三角形顶端。
【文档编号】H02N2/18GK104009669SQ201410255514
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】董维杰, 金海泉, 白凤仙 申请人:大连理工大学