[发明专利]一种摆球式简支梁压电能量收集装置

说明书

本发明公开了一种摆球式简支梁压电能量收集装置。包括摆动机构和箱体；摆动机构包括摆球、摆杆、转轴和四根弹性简支梁，四根弹性简支梁表面均设有压电元件；摆球连接着摆杆的一端，摆杆的另一端固定连接着转轴的中部；转轴的两侧分别固定连接着两根弹性简支梁的一端；摆球位于箱体外部，转轴和弹性简支梁位于箱体内部；转轴的两侧各设一对夹杆，两对夹杆分别夹持着弹性简支梁的另一端，对弹性简支梁的另一端在竖直方向起约束限位作用；本装置工作在空气或水域环境，当摆球感受外界振动激励摆动时，带动四根弹性简支梁产生弹性弯曲变形，压电元件随之发生形变并产生电荷。本发明结构简单，实用性强，可有效收集环境中的振动能。

技术领域

本发明属于能量回收领域，采用了振动压电能量转换技术，主要涉及一种摆球式简支梁压电能量收集装置。

背景技术

随着无线通讯与MEMS技术的不断发展，使得微电子芯片、微型传感器的应用范围不断扩大，这些设备大多仍依靠传统的化学电池来供电，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统的化学电池寿命有限，使用一段时间后需要更换或者充电，对于放置在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，这是个很严重的制约条件。同时，大量使用电池也会对环境造成危害。因此，能量收集技术成为了国内外研究的重点。

振动作为自然界常见的现象，它几乎无处不在并且具有较高的能量密度。振动压电能量转换技术具有功率密度大、无须启动电源、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命长、易于加工制作和实现机构的微小化等诸多优点，在振动能量收集领域应用最为广泛。如悬臂梁式压电能量收集器，包括固定在基座上的悬臂梁和悬臂梁末端的质量块，悬臂梁上下表面都粘贴有压电陶瓷。工作时，悬臂梁在外界激励的作用下振动并弯曲变形，同时带动悬臂梁表面的压电陶瓷变形，压电陶瓷在交变应力的作用下产生电荷输出。这种能量收集装置虽然结构简单，但工作频带极窄，谐振频率较高。自然环境中的振动往往是低频的随机激励，激励频率远小于悬臂梁自身的固有频率，因而悬臂梁的振动幅度较小，压电材料变形量小，发电效率较低。因此，设计一种对环境中振动激励频率依赖性小，压电材料变形量大的压电能量收集装置具有较大的意义和价值。

发明内容

为了改善压电能量收集装置的低频特性，弥补普通悬臂梁式压电能量收集装置的压电材料变形量小，低频激励下发电效率低等缺陷，本发明提供了一种摆球式简支梁压电能量收集装置。

一种摆球式简支梁压电能量收集装置包括摆动机构和箱体5，所述摆动机构包括摆球1、摆杆2、转轴3和四根弹性简支梁4，四根弹性简支梁4的表面均设有压电元件；

所述摆球1为空心球或实心球，在空气环境下工作时，摆球1的直径为摆杆2长度的1/8～1/4；在水中工作时，摆球1的直径为摆杆2长度的1/3～2/3；

所述摆杆2的长度大于所述弹性简支梁4的长度，且所述摆杆2长度为所述箱体高度的1～5倍；

所述摆杆2的一端固定连接着摆球1，另一端固定连接着转轴3的中部；所述转轴3的两侧均分别固定连接着两根弹性简支梁4的一端，四根弹性简支梁4位于同一水平面内，同一侧的两根弹性简支梁4相互平行；所述摆球1位于箱体5外部，所述转轴3和弹性简支梁4位于箱体5内部，转轴3的两端转动连接着箱体5；箱体5内两侧各设有一对夹杆7，两对夹杆7相互平行且分别位于转轴3的两侧，两对夹杆7分别夹持着弹性简支梁4的另一端，对四根弹性简支梁4的另一端在竖直方向起约束限位作用；

当摆球1在外界振动激励下摆动时，带动转轴3两侧的四根弹性简支梁4产生弹性弯曲变形，压电元件随之发生形变并产生电荷，实现电能的输出。

进一步限定的技术方案如下：

所述摆杆2的摆动角度被限制在±30°以内。

所述弹性简支梁4为板条状，弹性简支梁4的上下表面均设有压电元件。

所述弹性简支梁4的材料为弹簧钢或抗疲劳的弹性金属。