[發明專利]等強度梁式壓電振動能量收集器

在審

• 申請號: 201710655563.8
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107294424A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 劉延彬;姜媛媛;梁喆;辛元芳
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及能量采集領域，特別涉及一種將振動能量轉換為電能的壓電振動能量采集裝置。

背景技術

由于振動能量收集器的體積小、壽命長、能量密度高、無污染等特點，隨著自供能無線物聯網技術及MEMS(micro-electro-mechanical system)等低功耗電子設備的快速發展，振動能量收集受到了廣泛的關注，振動能量收集技術亦迅速發展。振動能量收集，不僅能給MEMS供電，在特定場合還可以提高能量的利用效率、降低有害的振動，因此其在結構健康監測、航空航天等許多領域獲得了重要的應用。然而，目前所存在的壓電式振動能量收集器的均為等截面梁。對于等截面壓電懸臂梁，不同截面上的最大正應力不同，在彎矩為最大值的截面上，最大彎曲正應力最大，其余各截面上彎矩較小，截面的最大彎曲正應力也就較低，壓電材料沒有物盡其用；而且，等截面懸臂梁的剛度較大。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種等強度梁式壓電能量收集器，該能量采集器能將振動能量轉換為電能，具有結構簡單、安裝方便、壓電材料利用率充分等優點。下面結合附圖詳細說明本發明的結構，包括組成部分，各組成部分的連接關系，及發明的工作原理。

(1)總體結構描述：

本發明的等強度梁式壓電振動能量收集器包括基座，等強度壓電層合梁，質量塊構成。

所述的基座用于安裝等強度壓電層合梁。

所述的等強度壓電層合梁由上壓電材料層，下壓電材料層，變截面金屬基板構成。上壓電材料層與下壓電材料層通過不導電粘結膠粘結在變截面金屬基板上，壓電材料層為振動能量收集器的能量轉換單元。變截面金屬基板為振動能量收集器的剛度單元，采用不同的金屬材料及不同的尺寸以調節能量收集器的剛度。

所述的等強度壓電層合梁一端固定于基座，另一端連接質量塊。

所述的質量塊固定在等強度壓電層合梁上，質量塊大小可調，通過調整質量塊的大小可以調節能量收集器的工作頻率。

(2)進一步結構特點描述：

上述的變截面金屬基板為鋼材、銅材、或者鋁合金等彈性材料，其結構為變截面結構。

上述的壓電材料為壓電陶瓷或者壓電薄膜。

上述的質量塊為鉛、鋼等密度比較大的材料制作。

(3)工作原理：

為了充分利用壓電材料，提高壓電式振動能量收集器的能量密度，本發明采用等強度壓電層合梁設計方案，使等強度壓電層合梁的抗彎截面系數隨著彎矩的變化而變化，在彎矩較大處采用較大截面，在彎矩較小處采用較小截面；變截面梁的各截面的最大正應力都相等，且都等于壓電材料的許用應力。設變截面梁的任一截面上的彎矩為M(x)，而截面的抗彎截面系數為W(x)，則應滿足：

式(1)中，σ_max為截面最大正應力，[σ]為許用應力，n為安全系數，x為應力點至固定端的距離。上式(1)可以寫為：

對于附圖1所示的結構，本發明的等效靜力學模型如圖3所示。其固定端的寬度為a,有效長度為l，b(x)為任一截面寬度，梁的高度為h則其彎矩方程為：

M(x)＝P(l-x) (3)

式(3)中，P為外載荷。

截面最大應力為：

式(4)中，y_max為最大應力點至中性軸的距離。

矩形橫截面的慣性矩為：

若等強度壓電層合梁表面的最大應力處處相等，則有：

將式(3)和式(5)代入式(6)可得等強度壓電層合梁的寬度變化規律為：

本發明的有益效果在于：

為了充分利用壓電材料，提高壓電式振動能量收集器的能量密度，本發明采用等強度壓電層合梁設計方案，即等強度壓電懸臂梁的抗彎截面系數隨著彎矩的變化而變化，在彎矩較大處采用較大截面，在彎矩較小處采用較小截面；變截面梁的各截面的最大正應力都相等，且都等于許用應力。本發明具有以下優點：

(1)能夠充分利用壓電材料，提高振動能量收集器的能量轉換效率；

(2)結構簡單，制作及安裝均十分方便。

附圖說明

圖1為等強度梁式壓電振動能量收集器主視圖；

圖2為等強度梁式壓電振動能量收集器俯視圖；

圖3為等強度梁式壓電振動能量收集器的靜力學等效模型；

圖中標號所示：1、基座，2、上壓電材料層，3、下壓電材料層，4、變截面金屬基板，5、質量塊。