旋轉式壓電圓盤俘能器及其俘能方法
【專利摘要】本發明涉及一種旋轉式壓電圓盤俘能器及其俘能方法，該俘能器包括旋轉軸(1)和壓電層合圓盤(2)，其中，壓電層合圓盤(2)由壓電陶瓷(4)設置在金屬基板(3)表面通過導電膠粘合而成，旋轉軸(1)與旋轉機構同軸安裝，壓電層合圓盤(2)內圈固定在旋轉軸上。該俘能器可直接將旋轉的機械能轉換為圓板的振動能，通過壓電陶瓷將薄板的振動能直接轉換為可用的電能，為相關設備供電。該裝置彌補了現有壓電俘能結構不能直接將旋轉機械能轉換為電能的不足，結構簡單，設計安裝方便，便于實現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，特別適合應用于旋轉機械能的能量收集。
【專利說明】
旋轉式壓電圓盤俘能器及其俘能方法
技術領域
[0001]本發明是一種旋轉式圓盤型壓電發電裝置，屬于新能源技術領域，特別適合收集旋轉機構的旋轉機械能。【背景技術】
[0002]傳統的電池供能方式對于無線傳感器網絡節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絡技術的發展，因此直接從環境中俘能為網絡傳感器節點供電成為很好的替代供能方式。壓電俘能裝置具有:結構簡單，能量密度大，易于微型化，高機電轉換效率，無電磁干擾，清潔環保，易于制作，環境適應性強等優點，相較于其他方式具有更廣的應用前景。
[0003]目前已有的關于壓電能量收集裝置的基本結構的研究主要集中在壓電懸臂梁結構和用于路面振動能量收集、能承載較大應力的鈸型結構，但這兩種結構都不能直接用于旋轉機械能的收集。為了俘獲旋轉機械能，有人在懸臂梁結構的基礎上借助其他機械結構提出了用于旋轉機械能收集的壓電發電裝置，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機械能轉化為懸臂梁陣列的振動能，進而轉換成電能。這種旋轉式壓電發電機本身結構比較復雜，在設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生脆性斷裂，還要考慮安裝限位器，這就增加了設計的難度和裝置的體積，不利于提高裝置的能量密度、拓寬裝置的應用范圍。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明目的在于彌補現有壓電俘能結構不能直接將旋轉機械能轉換為電能的不足，提出了一種更為簡單直接的旋轉式壓電俘能器及其俘能方法，該俘能器可直接將旋轉的機械能轉換為圓板的振動能，通過壓電陶瓷將薄板的振動能直接轉換為可用的電能，為相關設備供電。本發明結構簡單，設計安裝方便，便于實現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，特別適合應用于旋轉機械能的能量收集。
[0005]技術方案:本發明的一種旋轉式壓電圓盤俘能器包括旋轉軸和壓電層合圓盤，其中，壓電層合圓盤由壓電陶瓷設置在金屬基板表面通過導電膠粘合而成，旋轉軸與旋轉機構同軸安裝，壓電層合圓盤內圈固定在旋轉軸上。
[0006]壓電層合圓盤的壓電陶瓷根據壓電層合圓盤的目標振型(0,2)設計分區和電極， 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]本發明的旋轉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，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軸按特定轉速旋轉，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產生電能。
[0008]本發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。當壓電層合圓盤隨著旋轉軸旋轉時，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，壓電陶瓷會將機械變形轉換為電能，通過合理的電極安裝可將電能引出，為相關負載供電。當復合圓盤的轉速接近圓盤某個振型的共振頻率時，復合圓盤會發生共振，對應不同的振型，對壓電層進行分區，合理設計正負電極，有利于提高輸出壓電復合圓盤的輸出電壓和輸出功率。
[0009]有益效果:本發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構的旋轉能量收集裝置，可直接用于旋轉機構的能量收集。
[0011]2.結構簡單，安裝方便，便于實現有限體積的較大電能輸出，能量密度較高。【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構示意圖。
[0013]圖2是本發明的壓電層合圓盤的層合剖視圖。[〇〇14]其中有:旋轉軸1、壓電層合圓盤2、金屬基板3、壓電陶瓷層4、正負電極5、環氧樹脂導電膠6、點作用力F。【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0016]本發明的旋轉式壓電圓盤俘能器，其結構如圖1所示，包括旋轉軸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通過環氧樹脂導電膠6粘結在金屬基板3上。
[0017]壓電層合圓盤與旋轉機構共軸安裝，內圈固定在旋轉軸1上，外國自由，在金屬基板側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隨旋轉軸按一定角速度Q旋轉時，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的作用下會發生形變，由于壓電陶瓷的正壓電效應，本發明所述的壓電圓盤俘能器會產生電能。當壓電圓盤俘能器的轉速恰好等于壓電層合圓盤2在本發明所述邊界條件下某個振型的共振頻率時，圓盤會發生共振，此時通過合理的壓電層分區和電極設計，可以較大地提高裝置的電能轉換效率。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計，可以為相應負載供電。
[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。
【主權項】
1.一種旋轉式壓電圓盤俘能器，其特征在于該俘能器包括旋轉軸(1)和壓電層合圓盤 (2)，其中，壓電層合圓盤(2)由壓電陶瓷(4)設置在金屬基板(3)表面通過導電膠粘合而成， 旋轉軸(1)與旋轉機構同軸安裝，壓電層合圓盤(2)內圈固定在旋轉軸上。2.根據權利要求1所述的旋轉式壓電圓盤俘能器，其特征在于:壓電層合圓盤(2)的壓 電陶瓷(4)根據壓電層合圓盤(2)的目標振型(0,2)設計分區和電極，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.—種如權利要求1所述的旋轉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，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軸按特定轉速旋轉，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產生電 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
【發明人】徐志科, 郭天云, 胡敏強, 金龍, 潘非非
【申請人】東南大學