一种摆球式简支梁压电能量收集装置的制作方法

本发明属于能量回收领域，采用了振动压电能量转换技术，主要涉及一种摆球式简支梁压电能量收集装置。

背景技术：

随着无线通讯与mems技术的不断发展，使得微电子芯片、微型传感器的应用范围不断扩大，这些设备大多仍依靠传统的化学电池来供电，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统的化学电池寿命有限，使用一段时间后需要更换或者充电，对于放置在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，这是个很严重的制约条件。同时，大量使用电池也会对环境造成危害。因此，能量收集技术成为了国内外研究的重点。

振动作为自然界常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度。振动压电能量转换技术具有功率密度大、无须启动电源、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命长、易于加工制作和实现机构的微小化等诸多优点，在振动能量收集领域应用最为广泛。如悬臂梁式压电能量收集器，包括固定在基座上的悬臂梁和悬臂梁末端的质量块，悬臂梁上下表面都粘贴有压电陶瓷。工作时，悬臂梁在外界激励的作用下振动并弯曲变形，同时带动悬臂梁表面的压电陶瓷变形，压电陶瓷在交变应力的作用下产生电荷输出。这种能量收集装置虽然结构简单，但工作频带极窄，谐振频率较高。自然环境中的振动往往是低频的随机激励，激励频率远小于悬臂梁自身的固有频率，因而悬臂梁的振动幅度较小，压电材料变形量小，发电效率较低。因此，设计一种对环境中振动激励频率依赖性小，压电材料变形量大的压电能量收集装置具有较大的意义和价值。

技术实现要素：

为了改善压电能量收集装置的低频特性，弥补普通悬臂梁式压电能量收集装置的压电材料变形量小，低频激励下发电效率低等缺陷，本发明提供了一种摆球式简支梁压电能量收集装置。

一种摆球式简支梁压电能量收集装置包括摆动机构和箱体5，所述摆动机构包括摆球1、摆杆2、转轴3和四根弹性简支梁4，四根弹性简支梁4的表面均设有压电元件；

所述摆球1为空心球或实心球，在空气环境下工作时，摆球1的直径为摆杆2长度的1/8～1/4；在水中工作时，摆球1的直径为摆杆2长度的1/3～2/3；

所述摆杆2的长度大于所述弹性简支梁4的长度，且所述摆杆2长度为所述箱体高度的1～5倍；

所述摆杆2的一端固定连接着摆球1，另一端固定连接着转轴3的中部；所述转轴3的两侧均分别固定连接着两根弹性简支梁4的一端，四根弹性简支梁4位于同一水平面内，同一侧的两根弹性简支梁4相互平行；所述摆球1位于箱体5外部，所述转轴3和弹性简支梁4位于箱体5内部，转轴3的两端转动连接着箱体5；箱体5内两侧各设有一对夹杆7，两对夹杆7相互平行且分别位于转轴3的两侧，两对夹杆7分别夹持着弹性简支梁4的另一端，对四根弹性简支梁4的另一端在竖直方向起约束限位作用；

当摆球1在外界振动激励下摆动时，带动转轴3两侧的四根弹性简支梁4产生弹性弯曲变形，压电元件随之发生形变并产生电荷，实现电能的输出。

进一步限定的技术方案如下：

所述摆杆2的摆动角度被限制在±30°以内。

所述弹性简支梁4为板条状，弹性简支梁4的上下表面均设有压电元件。

所述弹性简支梁4的材料为弹簧钢或抗疲劳的弹性金属。

所述箱体5的材料为不锈钢或耐腐蚀的合金。

所述两对夹杆7与转轴3之间的距离相等，为简支梁4长度的2/3～3/4。

所述压电元件的材料为聚偏氟乙烯。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明实用性强，应用范围广，可在多种环境中工作。可在河流、湖泊或近海处安装，收集水体动能，也可用于机械结构、建筑结构等的振动能量收集，可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件采能和供能，是一种环境友好型能量收集装置。

2.本发明采用了简支梁结构，与普通悬臂梁结构的压电能量收集装置相比，在外界激励频率远低于梁自身的固有频率时，本发明装置中的简支梁在转动力矩作用下的弯曲变形量要比悬臂梁振动时的弯曲变形量大得多，压电材料的变形量也大得多，发电效率也更高。

3.本发明是一种摆球式结构，利用摆球感受外界振动激励并带动摆杆摆动，为简支梁一端提供转动力矩。与简支梁的长度相比，摆杆的长度相对较长，外界环境只要在摆球的水平方向上作用一个较小的力，就能为简支梁提供一个足够大的转动力矩，促使简支梁产生明显的弯曲变形，增大压电材料的变形量，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明装置的整体外观图。

图2为本发明装置的纵剖视图。

图3为本发明装置的横剖视图。

图4为本发明装置中摆球、转轴以及简支梁的结构示意图。

图5为本发明装置中摆球向右摆动时的纵剖视图。

图6为本发明装置的原理参数说明图。

图7为悬臂梁末端受力的对比图。

图8为实心摆球装置的纵剖视图。

上图中序号：摆球1、摆杆2、转轴3、简支梁4、箱体5、压电元件6、夹杆7。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图1和图2，一种摆球式简支梁压电能量收集装置包括摆动机构和箱体5，箱体5高度为300mm，材料为不锈钢。摆动机构包括摆球1、摆杆2、转轴3和四根弹性简支梁4，四根弹性简支梁4的上下表面均设有压电元件6，压电元件6的材料为聚偏氟乙烯。参见图2，摆球1为空心球，直径为200mm。

参见图4和图3，摆杆2长度为400mm，摆杆2的一端固定连接着摆球1，另一端固定连接着转轴3的中部，摆杆2的最大偏摆角度为±28°。转轴3的两侧分别固定连接着两根弹性简支梁4的一端，四根弹性简支梁4位于同一水平面内，同一侧的两根弹性简支梁4相互平行；弹性简支梁4为板条状，长度为370mm，材料为弹簧钢；弹性简支梁4的上下表面均设有压电元件。摆球1位于箱体5外部，转轴3和弹性简支梁4位于箱体5内部，转轴3的两端转动连接着箱体5。箱体5内两侧各安装有一对夹杆7，两对夹杆7相互平行且分别位于转轴3的两侧，两对夹杆7分别夹持着弹性简支梁4的另一端，对四根弹性简支梁4的另一端在竖直方向起约束限位作用。

两对夹杆7与转轴3之间的距离相等，且均为255mm。

参见图5，工作时，箱体5被固定在河流或湖泊的底部，此时空心的摆球1受水流和浮力的作用而向右摆动，同时带动摆杆2和转轴3沿顺时针方向转动，这就为弹性简支梁4的一端提供了一个旋转力矩。弹性简支梁4的另一端被夹杆7在竖直方向约束限位，弹性简支梁在力矩作用下弯曲变形，弹性简支梁4表面的压电元件6随之发生形变并产生电荷，实现电能输出。

参见图6，摆球1的中心到转轴3的距离l＝500mm,转轴3到夹杆7的距离l＝255mm，l即为弹性简支梁的有效长度，显然l大于l，取k＝l/l≈1.96。在摆球1上作用一个与摆杆2垂直的大小为f的力，f在转轴3处产生的力矩大小为m1,则有m1＝f·l＝k·f·l。根据材料力学相关内容可知，力矩m1在弹性简支梁4内部产生的最大弯矩位于弹性简支梁4根部即转轴3处，最大弯矩mmax1＝m1，弹性简支梁4内部弯矩产生的最大正应力为：

式(1)中w1为弹性简支梁的抗弯截面系数，仅与弹性简支梁的截面几何形状有关。

参见图7，对于传统的悬臂梁式压电能量收集装置，取悬臂梁的长度为l，与图6中弹性简支梁4的有效长度相等，且悬臂梁的截面形状与图6中弹性简支梁4的截面形状也相同。在悬臂梁末端作用一个大小也为f的垂直方向的力。力f在悬臂梁根部产生的力矩大小为m2,则有m2＝f·l。根据材料力学相关内容可知，力f在悬臂梁内部产生的最大弯矩位于悬臂梁的根部，mmax2＝m2，悬臂梁内部弯矩产生的最大正应力为：

式(2)中w2为悬臂梁的抗弯截面系数，仅与悬臂梁的截面几何形状有关。

对比式(1)、式(2)可以得出，与相同长度，相同横截面(w1＝w2)的悬臂梁相比，在相同大小的垂直外力f的作用下，本发明装置中弹性简支梁4的最大正应力σmax1是悬臂梁最大正应力σmax2的k倍(即1.96倍)。因此，弹性简支梁4表面的压电元件6可以获得将近两倍的变形量，在交变应力的作用下可以产生更多的电荷，从而有效提高了装置的发电效率。

实施例2

参见图8，本实施例中，摆球1是直径100mm的实心球，装置的工作环境是在空气中。其他结构同实施例1，工作原理同实施例1。

本发明实用性强，应用范围广，可在多种环境中工作。可在河流、湖泊或近海处安装，收集水体动能，也可用于机械结构、建筑结构等的振动能量收集，可不消耗任何化石能源为低功耗的微电子元器件采能和供能，是一种环境友好型能量收集装置。