一种压电能量收集装置及其方法与流程

本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种压电能量收集装置及其方法。

背景技术：

近年来，能量收集一直是不同领域研究人员的主要焦点。主要的动机之一是减少广泛使用燃料电池所产生的化学废物的数量，这不仅保护了生态环境，还具有相当大的经济效益。研究人员已经在太阳能、潮汐和水力能源的可持续和批发能源部署方面取得了相当大的成功。但是，这三种方法并不适用于小规模的能量转换。在一定程度上，从不受自然条件影响的结构中获得基于振动的能量变得更加方便。

因此，国内外研究机构开始把研究方向投入到能量收集装置的研究，用能量收集装置代替传统的化学电池，但由于工作环境影响和自身技术的不足，使得传统的能量收集装置结构繁琐，能量输出效率低，难以满足特殊场合下的使用要求，因此，设计一种结构紧凑、高效、高输出的压电振动能量收集装置是新能源发展的关键因素。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种压电能量收集装置及其方法，结构紧凑，实现了能量的大面积收集，提高了能量收集效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种压电振动能量收集装置，包括基座、多边形弹性框架、柔性铰链、导杆、工作负载和多个压电片，所述基座上的两端分别固定有所述多边形弹性框架和所述导杆，所述导杆垂直于所述基座设置，所述工作负载滑动套设于所述导杆上，所述多边形弹性框架远离所述基座的一端与所述柔性铰链的一端固定连接，所述柔性铰链的另一端与所述工作负载固定连接，所述柔性铰链和所述多边形弹性框架均倾斜设置，所述多边形弹性框架上贴设有多个所述压电片，各所述压电片内侧和外侧均连接有一个导线。

优选地，还包括直线轴承，所述直线轴承固定于所述工作负载中，所述直线轴承间隙套设于所述导杆上。

优选地，所述多边形弹性框架包括两个第一连接板、两个第二连接板和四个安装板，两个所述第一连接板相互平行且位置相对应，两个所述第二连接板相互平行且位置相对应，所述第一连接板与所述第二连接板相互垂直，任意相邻的所述第一连接板和所述第二连接板通过一个所述安装板连接，各所述安装板的内侧和外侧均贴设有两个所述压电片。

优选地，位于所述安装板同一侧的两个所述压电片分别靠近所述第一连接板和靠近第二连接板设置。

优选地，所述压电片与所述安装板之间嵌设有铜箔片，所述铜箔片上焊接有一个所述导线。

优选地，所述基座包括底板和垂直固定于所述底板上端的立柱，所述导杆固定于所述底板上，所述立柱上端朝向所述导杆的一侧设有第一倾斜安装面，所述工作负载下端朝向所述立柱的一侧设有第二倾斜安装面，所述第一倾斜安装面与所述第二倾斜安装面相互平行，一个所述第一连接板固定于所述第一倾斜安装面上，另一个所述第一连接板与所述柔性铰链的一端固定连接，所述柔性铰链的另一端固定于所述第二倾斜安装面上。

优选地，所述底板上设置有光孔和螺纹孔，所述光孔用于将所述基座固定于振动源上，所述螺纹孔用于安装加速度传感器。

优选地，所述多边形弹性框架采用65mn材料，所述压电片采用pzt压电陶瓷材料。

本发明还提供一种基于压电振动能量收集装置的压电振动能量收集方法，包括以下步骤：将所述基座固定于振动源上，在所述振动源发生振动时，所述工作负载由于惯性作用沿所述导杆上下运动，从而拉伸或挤压所述多边形弹性框架，使得所述多边形弹性框架上的所述压电片变形，当所述压电片变形时，两个所述导线之间形成电势差，从而输出电能。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的压电能量收集装置包括基座、多边形弹性框架、柔性铰链、导杆、工作负载和多个压电片，多边形弹性框架上贴设有多个压电片，各压电片内侧和外侧均连接有一个导线。将基座固定于振动源上，在振动源发生振动时，工作负载由于惯性作用沿导杆上下运动，从而拉伸或挤压多边形弹性框架，使得多边形弹性框架上的压电片变形，当压电片变形时，两根导线之间形成电势差，从而输出电能。多边形弹性框架不同位置的压电片既可以反应装置本身的特性，又能够使振动能量最大限度地被收集，使得整个装置结构简单可靠，能量转换效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的压电振动能量收集装置的结构示意图；

图2为本发明提供的压电振动能量收集装置的受力分析原理图；

图3为本发明提供的压电振动能量收集装置的充电原理图；

图4为本发明提供的压电振动能量收集装置中基座的结构示意图；

图5为本发明提供的压电振动能量收集装置中多边形弹性框架的结构示意图；

图6为本发明提供的压电振动能量收集装置中柔性铰链的结构示意图；

图7为本发明提供的压电振动能量收集装置中工作负载的结构示意图；

图8为本发明提供的压电振动能量收集装置中直线轴承的结构示意图。

附图标记说明：1、基座；101、底板；102、立柱；103、第一倾斜安装面；2、导杆；3、工作负载；301、通孔；302、第二倾斜安装面；4、直线轴承；5、柔性铰链；6、多边形弹性框架；601、第一连接板；602、第二连接板；603、安装板；7、压电片；8、第一螺钉；9、第二螺钉；10、光孔；11、螺纹孔；12、整流器；13、电容。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压电能量收集装置及其方法，结构紧凑，实现了能量的大面积收集，提高了能量收集效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图8所示，本实施例提供一种压电振动能量收集装置，包括基座1、多边形弹性框架6、柔性铰链5、导杆2、工作负载3和多个压电片7，基座1上的两端分别固定有多边形弹性框架6和导杆2，导杆2垂直于基座1设置，工作负载3滑动套设于导杆2上，多边形弹性框架6远离基座1的一端与柔性铰链5的一端固定连接，柔性铰链5的另一端与工作负载3固定连接，柔性铰链5和多边形弹性框架6均倾斜设置，多边形弹性框架6的轴线方向与柔性铰链5的轴线方向一致，具体地，柔性铰链5由连接多边形弹性框架6的一端至连接工作负载3的一端向上倾斜设置。柔性铰链5能够承担因装置零件的精度问题导致的多边形弹性框架6非轴线方向的变形，在工作过程中对多边形弹性框架6起到保护作用。多边形弹性框架6上贴设有多个压电片7，各压电片7内侧和外侧均连接有一个导线。本实施例中通过采用多边形弹性框架6使得能够在多个面上贴设压电片7，从而实现能量的大面积收集，大大提高了能量收集效率。

如图8所示，本实施例还包括直线轴承4，直线轴承4固定于工作负载3中，直线轴承4间隙套设于导杆2上。具体地，工作负载3的通孔301中用结构胶粘贴一个直线轴承4，装置工作过程中工作负载3随着直线轴承4沿导杆2上下运动，实现多边形弹性框架6的变形。

如图5所示，多边形弹性框架6包括两个第一连接板601、两个第二连接板602和四个安装板603，两个第一连接板601相互平行且位置相对应，两个第二连接板602相互平行且位置相对应，第一连接板601与第二连接板602相互垂直，任意相邻的第一连接板601和第二连接板602通过一个安装板603连接，各安装板603的内侧和外侧均贴设有两个压电片7。两个第一连接板601分别与基座1和柔性铰链5固定连接，垂直于两个第一连接板601的连线为多边形弹性框架6的轴线，可见，本实施例中在多边形弹性框架6相对其轴线倾斜的四个安装板603的内外共贴有16个压电片7，进而实现能量的大面积收集。

具体地，压电片7的宽度略小于安装板603的宽度，位于安装板603同一侧的两个压电片7分别靠近第一连接板601和靠近第二连接板602设置，即使得压电片7靠近安装板603边缘贴设，由于面边缘的弯曲挠度相对中间位置大，进而增加压电片7的形变量，增加收集的能量。

具体地，压电片7通过结构胶粘贴在安装板603的表面，压电片7与安装板603之间嵌设有铜箔片，铜箔片上焊接有一个导线，实现压电片7电极一端的输出，压电片7的另一面上则直接焊一个导线，实现压电片7电极另一端的输出，当压电片7变形时，两个导线之间形成电势差，从而输出电能。

于本具体实施例中，多边形弹性框架6采用65mn材料，柔韧性好，不容易发生折断或塑性变形，可以将振动能量更大程度的转换为电能。

于本具体实施例中，压电片7采用pzt压电陶瓷材料，pzt压电陶瓷材料是钛酸铅和锆酸铅固溶体为基的组成物，其居里点在300-400摄氏度之间，在较大的温度范围内比较稳定，作为换能器材料，其压电效应显著。

如图4所示，基座1包括底板101和垂直固定于底板101上端的立柱102，导杆2固定于底板101上，具体地，导杆2与底板101螺纹连接，立柱102和底板101为一体式结构，导杆2和立柱102分别设置于底板101两端，立柱102上端朝向导杆2的一侧设有第一倾斜安装面103，如图7所示，工作负载3下端朝向立柱102的一侧设有第二倾斜安装面302，第一倾斜安装面103与第二倾斜安装面302相互平行，一个第一连接板601固定于第一倾斜安装面103上，另一个第一连接板601与柔性铰链5的一端固定连接，柔性铰链5的另一端固定于第二倾斜安装面302上。具体地，通过第一螺钉8将一个第一连接板601固定于第一倾斜安装面103上，通过第二螺钉9将另一个第一连接板601与柔性铰链5的一端固定连接，柔性铰链5的另一端与第二倾斜安装面302螺纹连接。

如图4所示，底板101上设置有光孔10和螺纹孔11，光孔10用于将基座1固定于振动源上，具体地，基座1通过光孔10用螺钉固定在振动源上，为整个装置提供支承并传递机械能。螺纹孔11用于安装加速度传感器，加速度传感器能够实时监测基座1上的加速度，确保装置在正常的工作范围内。

本实施例还提供一种基于压电振动能量收集装置的压电振动能量收集方法，包括以下步骤：将基座1固定于振动源上，在振动源发生振动时，工作负载3由于惯性作用沿导杆2上下运动，从而拉伸或挤压多边形弹性框架6，使得多边形弹性框架6上的压电片7变形，当压电片7变形时，两根导线之间形成电势差，从而输出电能。多边形弹性框架6不同位置的压电片7既可以反应装置本身的特性，又能够使振动能量最大限度地被收集，使得整个装置结构简单可靠，能量转换效率高。

如图2所示，虚线箭头代表工作负载3向下的运动，点线代表工作负载3向上的运动。每种运动情况多边形弹性框架6上都会产生8个扭矩m1-8，为了图形的简洁图中每种情况只画出一半的扭矩，两种运动情况扭矩方向一一对应相反。将工作负载3上下运动所产生的力表示为f，则系统的力平衡方程可表示为：

f*l＝m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8

f、l、m0、m1-8分别是系统的工作负载3上下运动所产生的力，工作负载3的中心和支点之间的横向静态距离，柔性铰链5的扭矩和多边形弹性框架6上每个位置的扭矩，扭矩的下标对应多边形弹性框架6上的位置编号。f*l代表输入到系统的总转矩。

如图3所示，可以将多边形弹性框架6上的多个压电片7串联起来经过整流器12为电容13充电。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。