專利名稱：多層梁式壓電發電機及其發電方法
技術領域：
本發明屬于發電機技術領域，特別是涉及一種壓電發電機及其發電方法。
背景技術：
壓電發電機是一種能量轉換裝置，是利用壓電陶瓷的壓電效應，將機械振動轉換 成電能，具有結構簡單、重量輕、無噪聲、工作可靠等優點，已應用于多個領域，特別是應用 于光電子技術領域的無線網絡。目前，現有的壓電發電機一般采用單個的圓環形壓電復合 板來進行發電，這種結構雖然具有易于發電、結構簡單等優點，但由于采用單個的壓電復合 板，因此不能承載過大的交變載荷來產生電量，普遍存在著產生的電荷量小、功率低、剛度 低、承載量小和壓電轉換效率低等缺陷。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足 ，提供一種結構簡單、合理，電荷產 生量大、功率大、剛度大、壓電轉換效率較高的多層梁式壓電發電機。 本發明的另一目的在于提供一種由上述多層梁式壓電發電機實現的發電方法。 本發明的目的通過下述技術方案實現一種多層梁式壓電發電機，包括若干個壓
電復合板，所述壓電復合板包括壓電元件和彈性金屬體，所述壓電元件分別連接于彈性金
屬體的上下表面；壓電復合板的一端與機架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接，呈現梁狀
結構；所述若干個壓電復合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現棱柱體或長方體陣列分布。
所述傳力塊優選具有一定剛度的彈簧。 所述彈性金屬體為矩形或梯形結構。 所述壓電元件為若干層壓電陶瓷片，其層數為偶數層。 所述壓電元件為矩形或梯形結構，且沿厚度方向極化。 所述壓電陶瓷片之間通過環氧樹脂相互貼合，且壓電陶瓷片相鄰層之間反向粘 貼；所述壓電元件分別通過環氧樹脂粘貼連接于彈性金屬體的上下表面。
所述若干個壓電復合板沿厚度方向固定于機架上，形成壓電復合板梁組；所述壓 電復合板梁組為若干組，并均勻固定于機架上。 所述壓電復合板梁組之間以傳力塊為中心，對稱固定于兩側的機架上，并呈現長 方體狀陣列分布；或所述壓電復合板梁組之間以傳力塊為中心，均勻固定于周圍的機架上，
所述壓電復合板間呈現正棱柱體狀陣列分布。 所述正棱柱體優選為正三棱柱體、正四棱柱體或正六棱柱體。 所述傳力塊為若干個，所述傳力塊與傳力塊之間、傳力塊與壓電復合板之間均通 過螺栓連接。 由上述的多層梁式壓電發電機實現的發電方法在傳力塊上輸入振動信號，以使 彈性金屬體發生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉換為壓電元件的壓電效應， 并在壓電元件的上下表面產生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進行整流變換，并通過超低功耗數字處理芯片進行控制輸出直流電或將直流電儲存起來，以供 使用。所述超低功耗數字處理芯片優選MSP430超低功耗數字處理芯片，以降低發電消耗， 高效率地收集電能供給負載電路使用。 本發明的作用原理是當有交變力載荷作用在傳力塊上時，即在壓電復合板梁組 的自由端(與傳力塊連接的一端)輸入振動信號，壓電復合板的彈性金屬體就會發生彎曲 彈性變形，彈性金屬體的彎曲變形轉換為矩形或梯形壓電陶瓷片的沿d33方向的壓電效 應，在矩形或梯形壓電陶瓷片的上下表面產生電荷，形成電勢，從而在其兩極面產生交變電 勢。壓電陶瓷片的共同接觸區為信號輸出端，與彈性金屬體接觸區為信號輸出端的地線。 在壓電陶瓷片的兩極面引線將此交變電勢輸入到整流濾波電路進行處理，并可通過電能回 收，作為電源使用。 本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果 1、本發明采用多個壓電復合板組合構成多層梁式結構，大大提高了其剛度性和承 載量大，可承載較大的交變力載荷，從而提高了振動輸入量，同時也大大提高了壓電轉換效率。 2、本發明的壓電復合板采用矩形或梯形結構的彈性金屬體和沿厚度方向極化的 壓電陶瓷片構成，具有體積小、產生的電荷量大等優點。 3、本發明的發電機通過振動式發電，即通過作用在傳力塊上的交變力載荷，使得 壓電復合板發生彎曲彈性變形從而在壓電陶瓷的兩極面產生交變電勢，可將振動能量轉換 為有用的電能儲存至電容或可充電電池中，以供用電系統使用，具有可靠性高、電源轉換效 率高、無電磁場作用等優點。 4、本發明的壓電復合板之間的排列方式可為長方體陣列或棱柱陣列方式排列，可 根據使用需求，進行串聯或并聯連接，具有可串并聯組合、連接方式靈活等優點。
5、本發明的方法中，產生的交變電勢通過整流濾波電路進行整流變換，并通過 MSP430超低功耗數字處理芯片進行控制輸出直流電或將電能儲存，可使得發電消耗大大降 低，可平穩地、高效率地將交流電轉換為直流電，以供用電系統使用。
圖1是本發明的第一種結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。 圖2是圖1所示單個壓電復合板的結構示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖3是本發明的第二種結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。 圖4是本發明的第三種結構示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖5是本發明的第四種結構示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖6是本發明的第五種結構示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖7是本發明的第六種結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。
實施例1 圖1 2示出了本實施例的具體結構圖，本多層梁式壓電發電機，包括若干個壓電
復合板4，如圖2 (a)所示，每個壓電復合板4包括壓電元件1 、3和彈性金屬體2，壓電元件
1、3分別連接于彈性金屬體2的上下表面；如圖1所示，壓電復合板4的一端與機架6固定
連接，另一端與傳力塊5剛性連接，且各個壓電復合板之間通過傳力塊剛性連接。 如圖1所示，若干個壓電復合板4之間沿厚度方向固定于機架6上，形成壓電復合
板梁組；所述壓電復合板梁組的個數為一組，固定于機架6上，各個壓電復合板之間呈現長
方體狀陣列分布。 壓電元件1、3均為雙層壓電陶瓷片；如圖2(b)所示，壓電元件1、3為矩形結構，且 沿厚度方向極化。彈性金屬體2為矩形結構。 壓電陶瓷片之間通過環氧樹脂相互貼合，且壓電陶瓷片相鄰層之間反向粘貼；壓 電元件分別通過環氧樹脂粘貼連接于彈性金屬體的上下表面。 由上述的多層梁式壓電發電機實現的發電方法在傳力塊上輸入振動信號，以使 彈性金屬體發生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉換為壓電元件的壓電效應， 并在壓電元件的上下表面產生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進行 整流變換，并通過MSP430超低功耗數字處理芯片進行控制輸出直流電或將直流電儲存起
來，以降低發電消耗，高效率地收集電能供給負載電路使用。
實施例2 本實施例除下述特征外同實施例1 :如圖3(a)所示，所述若干個壓電復合板4沿 厚度方向固定于機架7上，形成壓電復合板梁組；所述壓電復合板梁組為若干組，各壓電復 合板梁組之間以傳力塊8為中心，對稱固定于兩側的機架7上，各壓電復合板間呈現長方體 狀陣列分布。如圖3(b)所示，壓電復合板4為梯形結構，即壓電元件和彈性金屬體均為矩 形結構。 實施例3 本實施例除下述特征外同實施例1 :如圖4(b)所示，壓電復合板9為梯形結構，其 中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結構，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖4 (a)所示，所述若干個壓電復合板9沿厚度方向固定于機架10上，形成壓電 復合板梁組；所述壓電復合板梁組為若干組，各壓電復合板梁組之間以傳力塊11為中心， 均勻固定于周圍的機架10上，各壓電復合板之間呈現正三棱柱體狀陣列分布。
實施例4 本實施例除下述特征外同實施例1 :如圖5(b)所示，壓電復合板12為梯形結構，
其中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結構，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖5(a)所示，所述若干個壓電復合板12沿厚度方向固定于機架13上，形成壓
電復合板梁組；所述壓電復合板梁組為若干組，各壓電復合板梁組之間以傳力塊14為中
心，均勻固定于周圍的機架13上，各壓電復合板間呈現正四棱柱體狀陣列分布。 實施例5 本實施例除下述特征外同實施例1 :如圖6(b)所示，壓電復合板15為梯形結構，
其中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結構，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖6所示，所述若干個壓電復合板15沿厚度方向固定于機架16上，形成壓電復
5合板梁組；所述壓電復合板梁組為若干組，各壓電復合板梁組之間以傳力塊17為中心，均
勻固定于周圍的機架上，各壓電復合板之間呈現正六棱柱體狀陣列分布。 實施例6 本實施例除下述特征外同實施例1 :如圖7所示，所述傳力塊為兩個，所述傳力塊 19與傳力塊20之間、傳力塊19與壓電復合板4之間均通過螺栓18連接。
實施例7 本實施例除下述特征外同實施例1 :每個壓電元件由四層壓電陶瓷片構成。 上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的
限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，
均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種多層梁式壓電發電機，包括若干個壓電復合板，其特征在于所述壓電復合板包括壓電元件和彈性金屬體，所述壓電元件分別連接于彈性金屬體的上下表面；壓電復合板的一端與機架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接，呈現梁狀結構；所述若干個壓電復合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現棱柱體或長方體陣列分布。
2. 根據權利要求1所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述彈性金屬體為矩形或梯形結構。
3. 根據權利要求1所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述壓電元件為若干層壓電陶瓷片，其層數為偶數層。
4. 根據權利要求3所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述壓電元件為矩形或梯形結構，且沿厚度方向極化。
5. 根據權利要求4所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述壓電陶瓷片之間通過環氧樹脂相互貼合，且壓電陶瓷片相鄰層之間反向粘貼；所述壓電元件分別通過環氧樹脂粘貼連接于彈性金屬體的上下表面。
6. 根據權利要求1所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述若干個壓電復合板沿厚度方向固定于機架上，形成壓電復合板梁組；所述壓電復合板梁組為若干組，并均勻固定于機架上。
7. 根據權利要求6所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述壓電復合板梁組之間以傳力塊為中心，對稱固定于兩側的機架上，并呈現長方體狀陣列分布；或所述壓電復合板梁組之間以傳力塊為中心，均勻固定于周圍的機架上，所述壓電復合板間呈現正棱柱體狀陣列分布。
8. 根據權利要求7所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述正棱柱體為正三棱柱體、正四棱柱體或正六棱柱體。
9. 根據權利要求1所述的多層梁式壓電發電機，其特征在于所述傳力塊為若干個，所述傳力塊與傳力塊之間、傳力塊與壓電復合板之間均通過螺栓連接。
10. 由權利要求1 9任一項所述的多層梁式壓電發電機實現的發電方法，其特征在于在傳力塊上輸入振動信號，以使彈性金屬體發生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉換為壓電元件的壓電效應，并在壓電元件的上下表面產生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進行整流變換，并通過超低功耗數字處理芯片進行控制輸出直流電或將直流電儲存起來，以供使用。
全文摘要
本發明提供了一種多層梁式壓電發電機，包括若干個壓電復合板，所述壓電復合板包括壓電元件和彈性金屬體，所述壓電元件分別連接于彈性金屬體的上下表面；壓電復合板的一端與機架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接；所述若干個壓電復合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現棱柱體或長方體陣列分布。本發明還提供了由上述發電機實現的發電方法，即通過彈性金屬體的彎曲彈性變形轉換為壓電元件的壓電效應，形成交變電勢；并通過整流變換輸出直流電或將直流電儲存。本發明具有結構簡單、電荷產生量大、壓電轉換效率較高、剛度大、無電磁場作用、體積小、可串并聯組合等優點，可將振動能量轉換為有用的電能儲存至電容或可充電電池中，以供使用。
文檔編號H02N2/18GK101728974SQ20091021456
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者張鐵民, 文晟, 梁莉, 陳柱子 申請人:華南農業大學