一种基于压电陶瓷的多频共振发电装置

本发明涉及一种利用压电陶瓷片组共振供电的，尤其是一种基于压电陶瓷的多频共振发电装置。

背景技术：

1、状态监测技术实质上是为了了解和掌握设备在运行中的工作状态，监测设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度，因此为了实时掌握设备的运行状态，监测装置需一直通电保持运行状态。在船舶上使用监测设备的情况为例，船舶在航行时能量资源有限，且监测设备众多，单独为每一台监测设备供电过于繁琐。

2、目前利用压电陶瓷片的形变进行发电的方式主要包括四种。一是单层压电发电机构，目前单层压电机构采用悬臂梁结构的居多，其结构主要包括基座、基板、质量块、压电材料等部分，此类结构的固有频率较高，而环境振源的频率一般较低，多在悬臂梁末端加装金属块，且通常采用单悬臂梁阵列式结构，通过设计具有不同共振频率的单悬臂梁阵列结构来实现多频率的扩展，缺点是占用的空间较大、发电量小。二是多层压电发电结构，其中有蝴蝶式多层压电发电式，其采用双边对称的多层梁及质量块的钣金结构，包括基座、质量板、基板、桥板、质量块等部分，基板上粘贴有压电陶瓷片，该结构可以保证各层悬臂梁的振动基本一致，缺点是适应的频率范围有限。三是圆膜型结构，该结构是在压电圆片两侧分别粘结一个相同的碟形金属帽，是一种能够承受较高载荷的圆盘形压电能量收集结构，这种结构虽能承受较大的载荷，但无法产生足以支持监测设备正常工作的电流。四是电磁可调频率式结构，此结构是在单层压电发电机构的基础上加以改进，在压电悬臂梁的末端设置永磁体和电磁机构，利用电流的变化来改变结构的刚度，从而使其固有频率发生改变，这种方法经济效益太低，且占用的空间较多。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种利用共振给监测设备发电装置，利用压电陶瓷的正压电效应实现机械能向电能的转换，保障动力机械故障预测与健康管理系统(phm)等监测设备的运转，主要用于回转类、往复类等在工作中会产生振动的机械设备。以船舶的工作状态为例，发动机的转速在不同工况下的振动频率会呈现出不一样的振动范围，为了保证每种工况下产生的振动都能被利用，将振子设计成多个尺寸不一的振子组进行频率的匹配，最大频率范围的利用发动机所带来的振动，实现机械能向电能的稳定转化。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于压电陶瓷的多频共振发电装置，包含压电陶瓷片组、蓄电池、固定底座、整流电路，固定底座上固定连接三种尺寸的压电陶瓷片组，固定底座与发动机外壳固定连接，利用发动机产生的振动，使压电陶瓷片组发生共振，使压电陶瓷片组自身产生形变，利用压电陶瓷片组的正压电效应实现机械能向电能的转换，使其产生电流在经过整流电路整流、储存后供小型监测设备使用。

3、进一步，压电陶瓷片组由压电陶瓷片、金属夹板和配重块组成，一层压电陶瓷片和一层金属板相贴合，顶端放置配重块组成振子。

4、进一步，振子竖直摆放，振子的截面向内弯曲，利用配重块和自身重量提升振动发电的效率，适合横向空间不足的场景。

5、进一步，三种尺寸的振子排列在固定底座，分别对应不同的发动机振动频率。

6、进一步，根据不同工况下的频率分别采用不同尺寸的振子组与之对应，其中振子和固定底座之间采用焊接装配。

7、进一步，固定底座与发动机外壳之间通过强力磁铁固定；或通过螺栓固定。

8、进一步，基于压电陶瓷的多频共振发电装置的固有频率覆盖范围为25hz-50hz，与发动机工作状态下的频率相匹配，能最大限度的利用振动进行发电。

9、进一步，基于压电陶瓷的多频共振发电装置的整体高度为140mm，其中振子高度分别为120mm、90mm、60mm，压电陶瓷片厚度为0.4mm，金属夹板厚度为0.2mm。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明的装置通过固定在发动机外壳上，利用发动机的振动使压电陶瓷片组与之共振产生形变，利用压电陶瓷的正压电效应实现机械能向电能的转换，从而产生电流。压电陶瓷片组分别对应不同的发动机振动频率范围，配合配重块将振动充分利用；由于压电陶瓷片本身的刚度不适合弯曲，故本装置的振子采用一片压电陶瓷片与一片金属板相贴合的方法，可避免压电陶瓷片的断裂，压电陶瓷片振动产生的电流流经整流电路后在储能装置中储存，供监测设备长期使用，从而实现利用发动机的振动来给监测设备提供电能的效果。

技术特征：

1.一种基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：包含压电陶瓷片组、蓄电池、固定底座、整流电路，固定底座上固定连接三种尺寸的压电陶瓷片组，固定底座与发动机外壳固定连接，利用发动机产生的振动，使压电陶瓷片组发生共振，使压电陶瓷片组自身产生形变，利用压电陶瓷片组的正压电效应实现机械能向电能的转换，使其产生电流在经过整流电路整流、储存后供小型监测设备使用。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：压电陶瓷片组由压电陶瓷片、金属夹板和配重块组成，一层压电陶瓷片和一层金属板相贴合，顶端放置配重块组成振子。

3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：振子竖直摆放，振子的截面向内弯曲，利用配重块和自身重量提升振动发电的效率。

4.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：三种尺寸的振子排列在固定底座，分别对应不同的发动机振动频率。

5.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：根据不同工况下的频率分别采用不同尺寸的振子组与之对应，其中振子和固定底座之间采用焊接装配。

6.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：固定底座与发动机外壳之间通过强力磁铁固定；或通过螺栓固定。

7.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：基于压电陶瓷的多频共振发电装置的固有频率覆盖范围为25hz-50hz，与发动机工作状态下的频率相匹配，能最大限度的利用振动进行发电。

8.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的多频共振发电装置，其特征在于：基于压电陶瓷的多频共振发电装置的整体高度为140mm，其中振子高度分别为120mm、90mm、60mm，压电陶瓷片厚度为0.4mm，金属夹板厚度为0.2mm。

技术总结
本发明涉及一种基于压电陶瓷的多频共振发电装置，包含压电陶瓷片组、蓄电池、固定底座、整流电路，固定底座上固定连接三种尺寸的压电陶瓷片组，固定底座与发动机外壳固定连接，利用发动机产生的振动，使压电陶瓷片组发生共振，使压电陶瓷片组自身产生形变，利用压电陶瓷片组的正压电效应实现机械能向电能的转换，使其产生电流在经过整流电路整流、储存后供小型监测设备使用。本装置采用多层压电陶瓷片组的方式，根据可利用的频率来设计不同尺寸的片组，最大化利用压电陶瓷片的形变，提高效率。该装置发电效率高，空间利用率高，可以适应不同频率的振动，满足监测设备供电的需求，是目前较为理想的方法。

技术研发人员：刘哲旭,任瑞文,刘山尖,陈荣
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13