[發明專利]一種基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置

在審

• 申請號: 202111428900.2
• 申請日: 2021-11-27
• 公開（公告）號: CN114204843A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 陳麗華;張夢嬌;馬玉軒;劉慧
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H02N2/04
• 分類號: H02N2/04;H02N2/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置，利用壓電材料的形變進行發電，屬于節能技術與能量回收領域。所述的基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置包括折型梁、方形質量框、柱狀固定銷、方形塊及底座。在工程中環境振動頻率較低的條件下，本發明可以通過單元的共振，實現在多個頻率范圍內進行振動能量收集，以克服現有懸臂梁式俘能器工作頻帶狹窄，自然條件下共振工作區間局限的問題，對提高俘能效率及相關俘能裝置在實際應用中發揮作用擁有重要意義。

技術領域

本發明設計一種基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置，利用壓電材料的形變進行發電，屬于節能技術與能量回收領域。

背景技術

在自然環境中蘊藏著豐富的振動能，特別是在工程領域中，存在大量影響機械精度和壽命的振動能，因此各類振動能量收集裝置應運而生，利用俘能裝置進行環境振動能量回收成為當下研究熱點。俘能器是一種將振動的機械能轉化為電能的裝置，而壓電式俘能器相較于其他類型俘能器具有結構緊湊，易于加工且能量密度更高的優點。因為周圍環境中振動頻率一般較低，而傳統的懸臂梁式俘能器裝置只有第一階固有頻率較低，可以利用第一階共振俘獲更多的電能，但其他階固有頻率都很高，導致俘能裝置的工作區間狹窄，存在俘能效率低下的問題，也給懸臂梁式俘能器在實際工程問題中的應用帶來了諸多的局限性，很難在實際問題中得到廣泛的推廣。因此設計一款俘能更為高效的裝置具有非常廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置，該裝置在低頻范圍內存在多個固有頻率，在工程中環境振動頻率較低的條件下，通過單元的共振，以實現在多個頻率范圍內進行高效的振動能量收集，來克服現有懸臂梁式俘能器工作頻帶狹窄，自然條件下共振工作區間局限的問題，對提高俘能效率及相關俘能裝置在實際應用中發揮作用擁有重要意義。

本發明采用的技術方案為一種基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置包括折型梁、方形質量框、柱狀固定銷、方形塊及底座。

折型梁共有四個，且四個折型梁形狀相同，四個折型梁分散置于方形質量框的四條邊方向。折型梁上方的自由端通過方形質量框進行穩固連接，下方的自由端則用柱狀固定銷進行固定；壓電片鋪設在折型梁的外表面；柱狀固定銷的下方放置有一個方形塊以及一個長方體底座進行支承，底座及柱狀固定銷均為固定狀態。所述的折型梁為三角形狀。

進一步地，所述的折型梁采用的材料為結構鋼或鋁，其中三根折型梁采用結構鋼材料，一根折型梁采用鋁類材料。

進一步地，柱狀固定銷及方形塊的材料選用為結構鋼。

進一步地，底座選用鋁。

進一步地，上方方形質量框的材料為尼龍。

進一步地，折型梁外表面的壓電片選材為PVDF。

進一步地，方形質量框為正方形框，外框邊長為12mm，框的厚度為1mm，寬度為2mm。折型梁及外表面壓電片長×寬均為39mm×4mm。柱狀固定銷高6mm，底座長12mm，寬12mm，高1mm。質量框下底面到固定銷上表面的距離為20mm。折型梁與方形質量框直接插接相連，與固定銷通過長×寬×高為4mm×2.4mm×1mm的方形塊固定連接，壓電片與折型梁通過膠水固定相連。

實現本發明的技術方案是：基于折型梁結構的壓電式多頻帶振動俘能裝置包含：方形質量框1、折型梁2、固定銷3、底座4、方形塊5、壓電片6，將四個形狀相同的折型梁兩兩對稱分布，嵌入方形質量框四條邊線的中間位置，折型梁下端利用方形塊及柱狀固定銷進行固定。當周圍環境發生振動時，引發折型梁自身發生扭轉變形，從而附著在折型梁外表面的壓電片發生形變產生電壓俘獲能量。裝置采用四根折型梁對稱旋轉布置相較單個懸臂梁可以布置更多的壓電片，裝置發生振動時壓電材料發生盡可能大的的扭轉，變形量更大，可以幫助裝置俘獲更高的電壓，提高能量收集率。此外，本發明在低頻條件下有更多階固有頻率，使之更容易在自然條件下共振從而提高俘能效率。