利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，包括呈往復(fù)重疊結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料，位于壓電薄膜材料正端的信號電極，以及位于壓電薄膜材料負(fù)端的接地電極，位于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料上端的端蓋，承載壓電薄膜材料、具有側(cè)壁小于壓電薄膜材料總高度的基座，約束端蓋和基座的相對位置的限位柱，與信號電極和接地電極電連接的電能整理和儲(chǔ)存電路組成；在端蓋受到變化載荷作用時(shí)，將變化的載荷傳遞給往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料，壓電薄膜材料受壓產(chǎn)生極化電荷，由于往復(fù)重疊式的結(jié)構(gòu)，每一層壓電薄膜材料的信號電極與接地電極各自接觸，實(shí)現(xiàn)等效電容的并聯(lián)，增大了電能輸出能力；當(dāng)最大載荷大于最大設(shè)計(jì)值時(shí)，端蓋與基座的側(cè)壁接觸，避免壓電材料受到過載而發(fā)生不可逆形變。
【專利說明】
利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及發(fā)電裝置，具體設(shè)及利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，各種大型機(jī)械結(jié)構(gòu)不斷被應(yīng)用于工程領(lǐng)域，在 能源開采等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時(shí)監(jiān)測 是保證其正常工作的必要條件。因此各類傳感器被置于大型機(jī)械結(jié)構(gòu)中并將其實(shí)時(shí)工況檢 測結(jié)果源源不斷地送至終端，W供分析和判斷。為大型機(jī)械結(jié)構(gòu)上各類傳感器供電技術(shù)、尤 其是在惡劣工況下的供電技術(shù)一直是困擾工業(yè)界的難題。由于傳統(tǒng)有線供電模式中線路存 在老化與磨損，從而導(dǎo)致斷電、甚至電火花造成安全事故，因此電池成為了該類傳感器的必 備技術(shù)手段。而由于現(xiàn)有電池技術(shù)的限制，使得大容量電池的購買成本居高不下;更為嚴(yán)重 的是在一些惡劣工況下更換電池具有更高的時(shí)間和人工成本。因此，即發(fā)即用型發(fā)電裝置 成為一種理想的替代產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供利用載荷變化和往復(fù) 重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，為載荷周期性變化的大型機(jī)械結(jié)構(gòu)上工作的傳感器進(jìn)行供 電，增加現(xiàn)有電池的使用時(shí)長，甚至替代電池，節(jié)約生產(chǎn)成本。
[0004] 為達(dá)到W上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] 利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，包括壓電薄膜材料1，設(shè)置在壓 電薄膜材料1正端的信號電極2,設(shè)置在壓電薄膜材料1負(fù)端的接地電極3,將帶有信號電極2 和接地電極3的所述壓電薄膜材料1往復(fù)折疊，形成往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料，折疊 的層數(shù)為偶數(shù)層;所述往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料放置于由導(dǎo)電材料加工的基座6內(nèi)， 基座6的側(cè)壁高度小于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的總高度，所述往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的 壓電薄膜材料頂端放置由絕緣材料加工而成、與信號電極2或接地電極3接觸部分附著有電 極的端蓋4,所述端蓋4和基座6的側(cè)壁間設(shè)置有約束端蓋4和基座6左右移動(dòng)的限位柱5,且 所述端蓋4開有容納限位柱5的通孔，基座6相應(yīng)位置開有容納限位柱5的限位槽，還包括位 于基座6與復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的接觸面上的接線端7W及端蓋4與復(fù)重疊式結(jié)構(gòu) 的壓電薄膜材料接觸面上并與端蓋4的電極電連接的接線端7;所述接線端7連接電能整理 和儲(chǔ)存電路8;在端蓋4受到變化載荷作用時(shí)，端蓋4將變化的載荷傳遞給往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的 壓電薄膜材料，往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受壓產(chǎn)生極化電荷，由于其往復(fù)重疊式的 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致每一層壓電薄膜材料的信號電極2與接地電極3各自接觸，實(shí)現(xiàn)等效電容的并聯(lián)， 增大了電能輸出能力；當(dāng)最大載荷大于設(shè)計(jì)值時(shí)，端蓋4與基座6的側(cè)壁接觸，避免往復(fù)重疊 式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受到過載而發(fā)生不可逆形變。
[0006] 所述壓電薄膜材料1具有小的材料剛度、大的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、大的彈性變形范圍和 小的單片厚度。
[0007] 所述基座6的側(cè)壁高度與往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的總高度差與裝置的最 大載荷和壓電薄膜材料1的最大彈性應(yīng)力范圍相匹配。
[0008] 所述電能整理和存儲(chǔ)電路8的阻抗設(shè)置與往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的等效 阻抗及載荷的變化頻率相匹配。
[0009] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 1)本發(fā)明作為一種電能輸出裝置，供電能力具備可設(shè)計(jì)性，減少了載荷傳感器供 電的成本。
[0011] 2)相比于其他壓電俘能、電磁俘能等自供電裝置，本發(fā)明具有制造和安裝成本低 廉，機(jī)械結(jié)構(gòu)和配套電路簡單等優(yōu)勢。
[0012] 總之，本發(fā)明能夠利用載荷變化的大型機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電能，并供傳感器等負(fù)載使 用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2為端蓋的仰視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] W下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0016] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，包括 壓電薄膜材料1，設(shè)置在壓電薄膜材料1正端的信號電極2,設(shè)置在壓電薄膜材料1負(fù)端的接 地電極3,將帶有信號電極2和接地電極3的所述壓電薄膜材料1往復(fù)折疊，形成往復(fù)重疊式 結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料;所述往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料放置于由導(dǎo)電材料加工的基座 6內(nèi)，基座6的側(cè)壁高度小于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的總高度，所述往復(fù)重疊式結(jié) 構(gòu)的壓電薄膜材料頂端放置由絕緣材料加工而成、與信號電極2或接地電極3接觸部分附著 有電極的端蓋4，所述端蓋4和基座6的側(cè)壁間設(shè)置有約束端蓋4和基座6左右移動(dòng)的限位柱 5,且所述端蓋4開有容納限位柱5的通孔，基座6相應(yīng)位置開有容納限位柱5的限位槽，還包 括位于基座6與復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的接觸面上的接線端7W及端蓋4與復(fù)重疊式 結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料接觸面上并與端蓋4的電極電連接的接線端7;所述接線端7連接電能 整理和儲(chǔ)存電路8;在端蓋4受到變化載荷作用時(shí)，端蓋4將變化的載荷傳遞給往復(fù)重疊式結(jié) 構(gòu)的壓電薄膜材料，往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受壓產(chǎn)生極化電荷，由于其往復(fù)重疊 式的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致每一層壓電薄膜材料的信號電極2與接地電極3各自接觸，實(shí)現(xiàn)等效電容的 并聯(lián)，增大了電能輸出能力；當(dāng)最大載荷大于設(shè)計(jì)值時(shí)，端蓋4與基座6的側(cè)壁接觸，避免往 復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受到過載而發(fā)生不可逆形變。本發(fā)明具有加工難度小，輸出 電能效率高，發(fā)電能力可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，并具有過載保護(hù)功能。
[0017] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述壓電薄膜材料1具有小的材料剛度、大的機(jī)電轉(zhuǎn) 換效率、大的彈性變形范圍和小的單片厚度。
[0018] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述基座6的側(cè)壁高度與往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄 膜材料的總高度差與裝置的最大載荷和壓電薄膜材料1的最大彈性應(yīng)力范圍相匹配。
[0019] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述電能整理和存儲(chǔ)電路8的阻抗設(shè)置與往復(fù)重疊 式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的等效阻抗及載荷的變化頻率相匹配。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明的工作原理為:將本發(fā)明串聯(lián)于變化載荷中，當(dāng)端蓋6受到變化 的載荷作用時(shí)，位于端蓋6下端的往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料因受壓而產(chǎn)生極化電荷， 位于壓電薄膜材料1正端的信號電極2和位于壓電薄膜材料1負(fù)端的接地電極3將產(chǎn)生的極 化電荷通過接線端7送至電能整理和存儲(chǔ)電路8中。承載往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料、 具有小于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料總高度的側(cè)壁的基座6位于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓 電薄膜材料下端。當(dāng)載荷大于設(shè)計(jì)值時(shí)，端蓋4與基座6的側(cè)壁相接觸，避免往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu) 的壓電薄膜材料因受到過大應(yīng)力而發(fā)生不可逆形變。連接端蓋4與基座6的限位柱5具有限 制端蓋4自由度的作用。
[0021] 其中，根據(jù)載荷需求、大型機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的載荷變化量和周期可W對本發(fā)明的具 體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：
[0022] 設(shè)可輸出功率為W，載荷變化值為F，周期為T，往復(fù)重疊式壓電薄膜材料1的單層厚 度為h，表面積S，機(jī)電禪合常數(shù)d33，相對介電常數(shù)Er，彈性模量E，最大彈性應(yīng)力Omax，層數(shù)η， 則有
[0023] 電位移：
[0024] 單片壓電材料的極化電荷:q =化 [002引總極化電荷：Q = qn
[00%] 單片電容
[0027] 總電容：C = nc
[0028] 一個(gè)周期內(nèi)的等效電能：
[0029] 可輸出的功率夫
[0030] 基座側(cè)壁與往復(fù)重疊式壓電薄膜材料1的總高度的高度差：
[0031]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，其特征在于:包括壓電薄膜材料 (1)，設(shè)置在壓電薄膜材料（1)正端的信號電極(2)，設(shè)置在壓電薄膜材料（1)負(fù)端的接地電 極(3)，將帶有信號電極(2)和接地電極(3)的所述壓電薄膜材料（1)往復(fù)折疊，形成往復(fù)重 疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料，折疊的層數(shù)為偶數(shù)層;所述往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料放 置于由導(dǎo)電材料加工的基座(6)內(nèi)，基座(6)的側(cè)壁高度小于往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材 料的總高度，所述往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料頂端放置由絕緣材料加工而成、與信號 電極(2)或接地電極(3)接觸部分附著有電極的端蓋(4)，所述端蓋(4)和基座(6)的側(cè)壁間 設(shè)置有約束端蓋(4)和基座(6)左右移動(dòng)的限位柱(5)，且所述端蓋(4)開有容納限位柱(5) 的通孔，基座(6)相應(yīng)位置開有容納限位柱(5)的限位槽;還包括位于基座(6)與復(fù)重疊式結(jié) 構(gòu)的壓電薄膜材料的接觸面上的接線端(7)以及端蓋(4)與復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料 接觸面上并與端蓋(4)的電極電連接的接線端(7);所述接線端(7)連接電能整理和儲(chǔ)存電 路(8);在端蓋(4)受到變化載荷作用時(shí)，端蓋(4)將變化的載荷傳遞給往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓 電薄膜材料，往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受壓產(chǎn)生極化電荷，由于其往復(fù)重疊式的結(jié) 構(gòu)，導(dǎo)致每一層壓電薄膜材料的信號電極(2)與接地電極(3)各自接觸，實(shí)現(xiàn)等效電容的并 聯(lián)，增大了電能輸出能力；當(dāng)最大載荷大于設(shè)計(jì)值時(shí)，端蓋(4)與基座(6)的側(cè)壁接觸，避免 往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料受到過載而發(fā)生不可逆形變。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，其特征在 于:所述壓電薄膜材料（1)具有小的材料剛度、大的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、大的彈性變形范圍和小 的單片厚度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，其特征在 于:所述基座(6)的側(cè)壁高度與往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的總高度差與裝置的最大 載荷和壓電薄膜材料(1)的最大彈性應(yīng)力范圍相匹配。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用載荷變化和往復(fù)重疊式壓電薄膜的發(fā)電裝置，其特征在 于:所述電能整理和存儲(chǔ)電路(7)的阻抗設(shè)置與往復(fù)重疊式結(jié)構(gòu)的壓電薄膜材料的等效阻 抗及載荷的變化頻率相匹配。
【文檔編號】H02N2/18GK105871250SQ201610221148
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】徐明龍, 張舒文, 劉開園
【申請人】西安交通大學(xué)