本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器，用于低頻、大振幅、多方向的振動(dòng)能量采集。

背景技術(shù)：

利用壓電陶瓷材料回收環(huán)境振動(dòng)能量的微小型發(fā)電裝置已經(jīng)成為國內(nèi)外持續(xù)多年的研究熱點(diǎn)。壓電式振動(dòng)能量采集器成功開發(fā)與利用，不僅可以解決便攜式微功率電子產(chǎn)品以及遠(yuǎn)程埋植傳感監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題，還有助于減少大量廢棄電池污染環(huán)境和生產(chǎn)電池所造成的資源浪費(fèi)問題。針對(duì)環(huán)境振動(dòng)特點(diǎn)及應(yīng)用目的的不同，目前國內(nèi)外均已提出了較多類型的壓電能量采集器。但由于壓電陶瓷為脆性材料，且其所構(gòu)成的彎曲型壓電振子具有變形方向單一和諧振頻率較高的特點(diǎn)，因此現(xiàn)有壓電能量采集器在振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)能力、可靠性及能量轉(zhuǎn)換效率等方面還有較大的局限性。

眾所周知，對(duì)于壓電式振動(dòng)能量采集器，僅當(dāng)壓電振子固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相等時(shí)方能達(dá)到較高的發(fā)電能力和能量轉(zhuǎn)換效率。但因壓電振子自身的諧振頻率較高，通常為幾百、甚至幾千赫茲，而環(huán)境振動(dòng)頻率一般為十幾赫茲、甚至僅有幾赫茲，因此直接利用壓電振子收集環(huán)境振動(dòng)能量的效果并不顯著。為降低壓電振子的固有頻率，目前采用的方法是在懸臂梁壓電振子端部或圓形壓電振子中心處安裝集中慣性塊，其弊端是當(dāng)所安裝的慣性塊較大時(shí)，即使在非工作狀態(tài)時(shí)壓電振子就已產(chǎn)生較大變形，工作中極易因變形過大而損毀。另一方面，現(xiàn)實(shí)中非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的振源具有多方向性、且其振動(dòng)方向和振幅大小還具時(shí)變性。因此，針對(duì)現(xiàn)有的振動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)只對(duì)單一方向敏感、振動(dòng)能量回收效率不高等缺陷，本發(fā)明提出一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器，以解決現(xiàn)有壓電材料發(fā)電裝置固有頻率高、大振幅振動(dòng)損毀、無法收集多方向振動(dòng)能量等問題。

本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器，包括外殼、質(zhì)量塊、具有彈性的預(yù)彎金屬條、永磁鐵和圓形壓電振子；外殼為中空的立方體結(jié)構(gòu)；圓形壓電振子用螺釘固定在所述的外殼上；所述圓形壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，其中心靠近壓電晶片端粘接有永磁鐵；外殼各頂點(diǎn)分別固定有具有彈性的預(yù)彎金屬條，所述的具有彈性的預(yù)彎金屬條的另一端連接有質(zhì)量塊；所述的質(zhì)量塊為立方體結(jié)構(gòu)，其各面分別鑲嵌永磁鐵；所述圓形壓電振子靠近壓電晶片端的永磁鐵與鑲嵌在質(zhì)量塊上的永磁鐵同性磁極相對(duì)安裝。

上述永磁體為圓柱體結(jié)構(gòu)或長方體結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明中，一個(gè)外殼、靠近壓電晶片端中心位置安裝有永磁鐵的圓形壓電振子、一個(gè)鑲嵌有永磁鐵的質(zhì)量塊、八個(gè)將質(zhì)量塊頂點(diǎn)和外殼頂點(diǎn)相連接的具有彈性的預(yù)彎金屬條共同構(gòu)成發(fā)電裝置。在自然狀態(tài)下，質(zhì)量塊在預(yù)彎金屬條的作用下處于平衡狀態(tài)，圓形壓電振子處于自然狀態(tài)，即不受外力作用、不產(chǎn)生形變。當(dāng)裝置受外界任一方向振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊的位置即發(fā)生變化，永磁鐵之間的相互作用使得壓電振子產(chǎn)生彎曲變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)勢在于，利用具有彈性的預(yù)彎金屬條牽引質(zhì)量塊使得一對(duì)永磁鐵相互作用的方法激勵(lì)壓電振子，可實(shí)現(xiàn)任意方向及低頻振動(dòng)能量回收，且具有高可靠性、高能量效率的特點(diǎn)：①環(huán)境中任意方向的振動(dòng)都可引起質(zhì)量塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊位置變化使永磁鐵之間相互作用，從而使圓形壓電振子產(chǎn)生彎曲變形、并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；②質(zhì)量塊自身的重力作用在預(yù)彎金屬條上，其質(zhì)量的大小對(duì)壓電振子的振動(dòng)特性無直接影響，可采用較大質(zhì)量塊降低發(fā)電裝置的固有頻率，從而實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)能量回收；③振動(dòng)的激振力由質(zhì)量塊上永磁鐵的磁力變化所提供，壓電振子不至于因振幅過大而損毀、可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中能量采集器的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖2是本發(fā)明中具有彈性的預(yù)彎金屬條的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器，包括外殼1、質(zhì)量塊5、具有彈性的預(yù)彎金屬條4、永磁鐵3和圓形壓電振子2；外殼1為中空的立方體結(jié)構(gòu)；圓形壓電振子2用螺釘固定在所述的外殼1上；所述圓形壓電振子2由金屬基板201和壓電晶片202粘接而成，其中心靠近壓電晶片202端粘接有永磁鐵；外殼1各頂點(diǎn)分別固定有具有彈性的預(yù)彎金屬條4，所述的具有彈性的預(yù)彎金屬條4的另一端連接有質(zhì)量塊5；所述的質(zhì)量塊5為立方體結(jié)構(gòu)，其各面分別鑲嵌永磁鐵6；所述圓形壓電振子2靠近壓電晶片202端的永磁鐵3與鑲嵌在質(zhì)量塊5上的永磁鐵6同性磁極相對(duì)安裝。

在自然狀態(tài)下，質(zhì)量塊5在預(yù)彎金屬條4的作用下處于平衡狀態(tài)，圓形壓電振子2處于自然狀態(tài)，即不受外力作用、不產(chǎn)生形變。當(dāng)裝置受外界任一方向振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊5的位置即發(fā)生變化，圓形壓電振子2上粘接的永磁鐵3和鑲嵌在質(zhì)量塊5上的永磁鐵6之間的相互作用使得壓電振子2產(chǎn)生彎曲變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種壓電式多方向振動(dòng)能量采集器，屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。包括外殼、質(zhì)量塊、彈性的預(yù)彎金屬條、永磁鐵和圓形壓電振子；外殼為中空的立方體結(jié)構(gòu)；圓形壓電振子用螺釘固定在所述的外殼上；所述圓形壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，其中心靠近壓電晶片端粘接有永磁鐵；外殼各頂點(diǎn)分別固定有彈性的預(yù)彎金屬條，所述的彈性的預(yù)彎金屬條的另一端連接有質(zhì)量塊；所述的質(zhì)量塊為立方體結(jié)構(gòu)，其各面分別鑲嵌永磁鐵；所述圓形壓電振子中心的永磁鐵與鑲嵌在質(zhì)量塊上的永磁鐵同性磁極相對(duì)安裝。特點(diǎn)及優(yōu)勢在于，利用具有彈性的預(yù)彎金屬條牽引質(zhì)量塊使得一對(duì)永磁鐵相互作用的方法激勵(lì)壓電振子，可實(shí)現(xiàn)任意方向及低頻振動(dòng)能量回收。

技術(shù)研發(fā)人員：劉坤;李保坤;劉向陽;吳耀東;于亞運(yùn);武浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.07
技術(shù)公布日：2017.09.22