[發明專利]一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置

在審

• 申請號: 202210115839.4
• 申請日: 2022-02-07
• 公開（公告）號: CN114785190A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 魏莎;施海天;李旭龍;丁虎;陳立群
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明提出一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置，包括多段直梁和壓電層構成的壓電能量采集電路，所述壓電能量采集電路中的多段直梁通過輪盤轉角結構首尾相連，其中第一直梁的一端為固定端，最末一段直梁的尾端為自由端。用于解決現有技術中因能量收集頻帶和方向單一的技術問題。該Z型梁結構一端受到激勵源振動時，直梁發生彎曲變形，引起壓電層的彎曲變形，從而將振動能轉化為電能。本發明結構由多段梁構成且鋪設多段壓電層，因此共振的模態頻率集中，實現多個共振頻率下的能量采集，有效的提高了能量采集的效率。

技術領域

本發明涉及能源技術領域，特別是涉及一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置。

背景技術

近年來，隨著石油、煤炭等資源的日益減少，人類對能源的需求不斷增加，能源問題已成為人類亟待解決的重要問題。從外部環境振動中獲取能量是目前國內外研究熱點之一，振動型能量采集器將環境中普遍存在的機械能轉換為電能，可以實現自供能傳感、控制與驅動，具有靈活、節能環保、可持續等優勢，在航空航天、生物醫療、工業生產、交通監管、環境監測和軍事偵查等領域均具有廣闊的應用前景。壓電式能量采集器因其功率密度高、設計靈活等特點，已成為重要的振動能量采集方式之一。

現有的壓電式振動能量采集器一般只能在結構共振頻率附近的能量采集效率較高，且工作頻率單一。因此無法應用于復雜的工程環境進行能量采集。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置，以實現多個共振頻率下的低寬頻帶的能量采集，提高能量采集的效率。

為達到上述目的，本發明技術方案如下：

一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置，包括：多段直梁和壓電層構成的壓電能量采集電路，所述壓電能量采集電路中的多段直梁通過輪盤轉角結構首尾相連，其中第一直梁的一端為固定端，最末一段直梁的尾端為自由端，當所述的第一直梁的固定端受到外激勵振動時，將振動傳遞至其他多段直梁，固定在直梁上的壓電層晶體會發生變形，由此產生電能。

所述的多段直梁包括第一直梁、第二直梁、第三直梁，第一直梁的起始端為固定約束，第一直梁末端具有兩個圓柱形通孔環，通孔環的直徑與銷釘相同；第二直梁的起始端中部有一個圓柱形通孔環，與第一直梁的末端兩個圓柱形通孔環對接后用銷釘固定；第二直梁的末端具有兩個與第一直梁末端相同的圓柱形通孔環，第三直梁的起始端中部有一圓柱通孔環，與第二直梁的末端兩個圓柱形通孔環對接后用銷釘固定；第三直梁的末端為自由端。

所述的壓電層包括第一壓電層，第二壓電層，第三壓電層；第一壓電層平鋪于第一直梁上下表面，第二壓電層平鋪于第二直梁上下表面，第三壓電層平鋪于第三直梁上下表面。

所述的輪盤轉角結構包括銷釘、螺母和圓盤；所述圓盤固定于直梁末端的兩個圓柱形通孔的外側，圓盤四周均勻分布通孔，螺母通過通孔固定在兩端的圓盤上，兩段直梁首尾的圓柱形通孔環對接后用銷釘固定。所述的輪盤四周的通孔間距根據實際情況進行調整，以實現直梁之間的角度調節。

所述的多段直梁為鋁合金材料，壓電層為壓電陶瓷PZT系列，銷釘螺母為碳鋼系列。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明提出一種Z型梁結構的壓電式振動能量采集裝置，具有多個共振模態頻率下的能量采集特點，提高能量采集的帶寬。

本發明提出的結構為懸臂式壓電能量采集器，具有能量采集效率高，簡單可行的特點。

本發明提出的結構通過輪盤可調節角度，實現結構自身共振頻率的變化，適應不同工況下的能量采集特點。

本發明提出的結構為Z型梁結構，能對橫向振動激勵、縱向振動激勵以及不用角度的平面內激勵均具有良好的能量采集性能，適用于復雜工程環境中的振動能量采集。

附圖說明