旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器及其俘能方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器及其俘能方法，該俘能器包括旋轉(zhuǎn)軸(1)和壓電層合圓盤(2)，其中，壓電層合圓盤(2)由壓電陶瓷(4)設(shè)置在金屬基板(3)表面通過導(dǎo)電膠粘合而成，旋轉(zhuǎn)軸(1)與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同軸安裝，壓電層合圓盤(2)內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)軸上。該俘能器可直接將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換為圓板的振動能，通過壓電陶瓷將薄板的振動能直接轉(zhuǎn)換為可用的電能，為相關(guān)設(shè)備供電。該裝置彌補了現(xiàn)有壓電俘能結(jié)構(gòu)不能直接將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的不足，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計安裝方便，便于實現(xiàn)有限體積的較大能量的輸出，提高能量密度，且裝置的激勵容易實現(xiàn)，特別適合應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械能的能量收集。
【專利說明】
旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器及其俘能方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明是一種旋轉(zhuǎn)式圓盤型壓電發(fā)電裝置，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，特別適合收集旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機械能?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的電池供能方式對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微型化和可靠性非常不利，這在很大程度上制約了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，因此直接從環(huán)境中俘能為網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點供電成為很好的替代供能方式。壓電俘能裝置具有:結(jié)構(gòu)簡單，能量密度大，易于微型化，高機電轉(zhuǎn)換效率，無電磁干擾，清潔環(huán)保，易于制作，環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，相較于其他方式具有更廣的應(yīng)用前景。
[0003]目前已有的關(guān)于壓電能量收集裝置的基本結(jié)構(gòu)的研究主要集中在壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)和用于路面振動能量收集、能承載較大應(yīng)力的鈸型結(jié)構(gòu)，但這兩種結(jié)構(gòu)都不能直接用于旋轉(zhuǎn)機械能的收集。為了俘獲旋轉(zhuǎn)機械能，有人在懸臂梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上借助其他機械結(jié)構(gòu)提出了用于旋轉(zhuǎn)機械能收集的壓電發(fā)電裝置，將壓電懸臂梁陣列按周向安裝，通過碰撞或者懸磁激勵的方式將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為懸臂梁陣列的振動能，進而轉(zhuǎn)換成電能。這種旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計時為了避免懸臂梁振幅超過壓電陶瓷的承受范圍以致產(chǎn)生脆性斷裂，還要考慮安裝限位器，這就增加了設(shè)計的難度和裝置的體積，不利于提高裝置的能量密度、拓寬裝置的應(yīng)用范圍。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明目的在于彌補現(xiàn)有壓電俘能結(jié)構(gòu)不能直接將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的不足，提出了一種更為簡單直接的旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器及其俘能方法，該俘能器可直接將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換為圓板的振動能，通過壓電陶瓷將薄板的振動能直接轉(zhuǎn)換為可用的電能，為相關(guān)設(shè)備供電。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計安裝方便，便于實現(xiàn)有限體積的較大能量的輸出，提高能量密度，且裝置的激勵容易實現(xiàn)，特別適合應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械能的能量收集。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器包括旋轉(zhuǎn)軸和壓電層合圓盤，其中，壓電層合圓盤由壓電陶瓷設(shè)置在金屬基板表面通過導(dǎo)電膠粘合而成，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同軸安裝，壓電層合圓盤內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)軸上。
[0006]壓電層合圓盤的壓電陶瓷根據(jù)壓電層合圓盤的目標振型(0,2)設(shè)計分區(qū)和電極， 在該振型下，壓電陶瓷分為四塊，極化方向相同，每塊的外國中心位置在振幅最大的點，正負電極間隔排列。
[0007]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器的俘能方法是，為了激起壓電層合圓盤的目標振型，在壓電層合圓盤的基板側(cè)，靠近外國的某固定位置，加一個大小固定、方向與基板平面垂直的點作用力F，壓電層合圓盤隨旋轉(zhuǎn)軸按特定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在固定的點作用力F的作用下壓電層合圓盤按目標振型振動，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0008]本發(fā)明在圓盤外國固定位置加一個固定大小的點作用力，該力可以由撞擊器或者加裝永磁體通過懸磁方式實現(xiàn)。當壓電層合圓盤隨著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，點作用力周期性地作用在圓盤外周的點上，引起圓盤的形變，由于正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷會將機械變形轉(zhuǎn)換為電能，通過合理的電極安裝可將電能引出，為相關(guān)負載供電。當復(fù)合圓盤的轉(zhuǎn)速接近圓盤某個振型的共振頻率時，復(fù)合圓盤會發(fā)生共振，對應(yīng)不同的振型，對壓電層進行分區(qū)，合理設(shè)計正負電極，有利于提高輸出壓電復(fù)合圓盤的輸出電壓和輸出功率。
[0009]有益效果:本發(fā)明所述的壓電圓盤俘能器具有如下有益效果，
[0010]1.首次提出了基于壓電圓盤結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)能量收集裝置，可直接用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的能量收集。
[0011]2.結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，便于實現(xiàn)有限體積的較大電能輸出，能量密度較高?！靖綀D說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的壓電層合圓盤的層合剖視圖。[〇〇14]其中有:旋轉(zhuǎn)軸1、壓電層合圓盤2、金屬基板3、壓電陶瓷層4、正負電極5、環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠6、點作用力F?！揪唧w實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0016]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括旋轉(zhuǎn)軸1，壓電層合圓盤 2兩部分，其中壓電層合圓盤由金屬基板3和壓電陶瓷層4層合而成，圖1所示的圓盤式壓電俘能器是按照圓盤的(〇,2)振型設(shè)計的，因此壓電陶瓷層分成四塊，四塊壓電陶瓷極化方向相同，正負電極5間隔排列，這種電極分布有利于提高壓電圓盤在上述振型下的輸出電壓和功率，進而提高俘能器的能量轉(zhuǎn)換效率。壓電層合圓盤局部剖面圖如圖2所示，壓電陶瓷4通過環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠6粘結(jié)在金屬基板3上。
[0017]壓電層合圓盤與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)共軸安裝，內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)軸1上，外國自由，在金屬基板側(cè)接近圓盤外國的某個固定位置，加一個大小固定、方向與基板中性面垂直的點作用力 F，如圖1所示。
[0018]當壓電層合圓盤2隨旋轉(zhuǎn)軸按一定角速度Q旋轉(zhuǎn)時，點作用力F會周期性地作用在基板3外國的各個點上，壓電層合圓盤2在該力F的作用下會發(fā)生形變，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，本發(fā)明所述的壓電圓盤俘能器會產(chǎn)生電能。當壓電圓盤俘能器的轉(zhuǎn)速恰好等于壓電層合圓盤2在本發(fā)明所述邊界條件下某個振型的共振頻率時，圓盤會發(fā)生共振，此時通過合理的壓電層分區(qū)和電極設(shè)計，可以較大地提高裝置的電能轉(zhuǎn)換效率。此時裝置輸出的電能是接近于正弦的交流電，通過整流電路和阻抗匹配電路的設(shè)計，可以為相應(yīng)負載供電。
[0019]點作用力F可以通過撞擊器加到基板上，也可以通過加裝永磁體，通過懸磁方式施加。
【主權(quán)項】
1.一種旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器，其特征在于該俘能器包括旋轉(zhuǎn)軸(1)和壓電層合圓盤 (2)，其中，壓電層合圓盤(2)由壓電陶瓷(4)設(shè)置在金屬基板(3)表面通過導(dǎo)電膠粘合而成， 旋轉(zhuǎn)軸(1)與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同軸安裝，壓電層合圓盤(2)內(nèi)圈固定在旋轉(zhuǎn)軸上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器，其特征在于:壓電層合圓盤(2)的壓 電陶瓷(4)根據(jù)壓電層合圓盤(2)的目標振型(0,2)設(shè)計分區(qū)和電極，在該振型下，壓電陶瓷 分為四塊，極化方向相同，每塊的外圈中心位置在振幅最大的點，正負電極(5)間隔排列。3.—種如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式壓電圓盤俘能器的俘能方法，其特征在于:為了激起 壓電層合圓盤的目標振型，在壓電層合圓盤的基板側(cè)，靠近外圈的某固定位置，加一個大小 固定、方向與基板平面垂直的點作用力F，壓電層合圓盤隨旋轉(zhuǎn)軸按特定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在固定 的點作用力F的作用下壓電層合圓盤按目標振型振動，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電 能。
【文檔編號】H02N2/18GK106026775SQ201610552589
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】徐志科, 郭天云, 胡敏強, 金龍, 潘非非
【申請人】東南大學(xué)