專利名稱：多層梁式壓電發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種壓電發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法。
背景技術(shù)：
壓電發(fā)電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換 成電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無噪聲、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用 于光電子技術(shù)領(lǐng)域的無線網(wǎng)絡(luò)。目前，現(xiàn)有的壓電發(fā)電機(jī)一般采用單個(gè)的圓環(huán)形壓電復(fù)合 板來進(jìn)行發(fā)電，這種結(jié)構(gòu)雖然具有易于發(fā)電、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但由于采用單個(gè)的壓電復(fù)合 板，因此不能承載過大的交變載荷來產(chǎn)生電量，普遍存在著產(chǎn)生的電荷量小、功率低、剛度 低、承載量小和壓電轉(zhuǎn)換效率低等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足 ，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、合理，電荷產(chǎn) 生量大、功率大、剛度大、壓電轉(zhuǎn)換效率較高的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述多層梁式壓電發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電方法。 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，包括若干個(gè)壓
電復(fù)合板，所述壓電復(fù)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(fù)合板的一端與機(jī)架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接，呈現(xiàn)梁狀
結(jié)構(gòu)；所述若干個(gè)壓電復(fù)合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現(xiàn)棱柱體或長方體陣列分布。
所述傳力塊優(yōu)選具有一定剛度的彈簧。 所述彈性金屬體為矩形或梯形結(jié)構(gòu)。 所述壓電元件為若干層壓電陶瓷片，其層數(shù)為偶數(shù)層。 所述壓電元件為矩形或梯形結(jié)構(gòu)，且沿厚度方向極化。 所述壓電陶瓷片之間通過環(huán)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(huán)氧樹脂粘貼連接于彈性金屬體的上下表面。
所述若干個(gè)壓電復(fù)合板沿厚度方向固定于機(jī)架上，形成壓電復(fù)合板梁組；所述壓 電復(fù)合板梁組為若干組，并均勻固定于機(jī)架上。 所述壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊為中心，對稱固定于兩側(cè)的機(jī)架上，并呈現(xiàn)長 方體狀陣列分布；或所述壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊為中心，均勻固定于周圍的機(jī)架上，
所述壓電復(fù)合板間呈現(xiàn)正棱柱體狀陣列分布。 所述正棱柱體優(yōu)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(gè)，所述傳力塊與傳力塊之間、傳力塊與壓電復(fù)合板之間均通 過螺栓連接。 由上述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電方法在傳力塊上輸入振動(dòng)信號，以使 彈性金屬體發(fā)生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉(zhuǎn)換為壓電元件的壓電效應(yīng)， 并在壓電元件的上下表面產(chǎn)生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進(jìn)行整流變換，并通過超低功耗數(shù)字處理芯片進(jìn)行控制輸出直流電或?qū)⒅绷麟妰Υ嫫饋?，以?使用。所述超低功耗數(shù)字處理芯片優(yōu)選MSP430超低功耗數(shù)字處理芯片，以降低發(fā)電消耗， 高效率地收集電能供給負(fù)載電路使用。 本發(fā)明的作用原理是當(dāng)有交變力載荷作用在傳力塊上時(shí)，即在壓電復(fù)合板梁組 的自由端(與傳力塊連接的一端)輸入振動(dòng)信號，壓電復(fù)合板的彈性金屬體就會發(fā)生彎曲 彈性變形，彈性金屬體的彎曲變形轉(zhuǎn)換為矩形或梯形壓電陶瓷片的沿d33方向的壓電效 應(yīng)，在矩形或梯形壓電陶瓷片的上下表面產(chǎn)生電荷，形成電勢，從而在其兩極面產(chǎn)生交變電 勢。壓電陶瓷片的共同接觸區(qū)為信號輸出端，與彈性金屬體接觸區(qū)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(jìn)行處理，并可通過電能回 收，作為電源使用。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果 1、本發(fā)明采用多個(gè)壓電復(fù)合板組合構(gòu)成多層梁式結(jié)構(gòu)，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(dòng)輸入量，同時(shí)也大大提高了壓電轉(zhuǎn)換效率。 2、本發(fā)明的壓電復(fù)合板采用矩形或梯形結(jié)構(gòu)的彈性金屬體和沿厚度方向極化的 壓電陶瓷片構(gòu)成，具有體積小、產(chǎn)生的電荷量大等優(yōu)點(diǎn)。 3、本發(fā)明的發(fā)電機(jī)通過振動(dòng)式發(fā)電，即通過作用在傳力塊上的交變力載荷，使得 壓電復(fù)合板發(fā)生彎曲彈性變形從而在壓電陶瓷的兩極面產(chǎn)生交變電勢，可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)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(tǒng)使用，具有可靠性高、電源轉(zhuǎn)換效 率高、無電磁場作用等優(yōu)點(diǎn)。 4、本發(fā)明的壓電復(fù)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(jù)使用需求，進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，具有可串并聯(lián)組合、連接方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。
5、本發(fā)明的方法中，產(chǎn)生的交變電勢通過整流濾波電路進(jìn)行整流變換，并通過 MSP430超低功耗數(shù)字處理芯片進(jìn)行控制輸出直流電或?qū)㈦娔軆Υ?，可使得發(fā)電消耗大大降 低，可平穩(wěn)地、高效率地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以供用電系統(tǒng)使用。


圖1是本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。 圖2是圖1所示單個(gè)壓電復(fù)合板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖3是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。 圖4是本發(fā)明的第三種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖5是本發(fā)明的第四種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖6是本發(fā)明的第五種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為縱向剖視圖，(b)為俯視圖。 圖7是本發(fā)明的第六種結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
實(shí)施例1 圖1 2示出了本實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)圖，本多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，包括若干個(gè)壓電
復(fù)合板4，如圖2 (a)所示，每個(gè)壓電復(fù)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(fù)合板4的一端與機(jī)架6固定
連接，另一端與傳力塊5剛性連接，且各個(gè)壓電復(fù)合板之間通過傳力塊剛性連接。 如圖1所示，若干個(gè)壓電復(fù)合板4之間沿厚度方向固定于機(jī)架6上，形成壓電復(fù)合
板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組的個(gè)數(shù)為一組，固定于機(jī)架6上，各個(gè)壓電復(fù)合板之間呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)，且 沿厚度方向極化。彈性金屬體2為矩形結(jié)構(gòu)。 壓電陶瓷片之間通過環(huán)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(huán)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(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電方法在傳力塊上輸入振動(dòng)信號，以使 彈性金屬體發(fā)生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉(zhuǎn)換為壓電元件的壓電效應(yīng)， 并在壓電元件的上下表面產(chǎn)生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進(jìn)行 整流變換，并通過MSP430超低功耗數(shù)字處理芯片進(jìn)行控制輸出直流電或?qū)⒅绷麟妰Υ嫫?br> 來，以降低發(fā)電消耗，高效率地收集電能供給負(fù)載電路使用。
實(shí)施例2 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :如圖3(a)所示，所述若干個(gè)壓電復(fù)合板4沿 厚度方向固定于機(jī)架7上，形成壓電復(fù)合板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組為若干組，各壓電復(fù) 合板梁組之間以傳力塊8為中心，對稱固定于兩側(cè)的機(jī)架7上，各壓電復(fù)合板間呈現(xiàn)長方體 狀陣列分布。如圖3(b)所示，壓電復(fù)合板4為梯形結(jié)構(gòu)，即壓電元件和彈性金屬體均為矩 形結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例3 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :如圖4(b)所示，壓電復(fù)合板9為梯形結(jié)構(gòu)，其 中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結(jié)構(gòu)，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖4 (a)所示，所述若干個(gè)壓電復(fù)合板9沿厚度方向固定于機(jī)架10上，形成壓電 復(fù)合板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組為若干組，各壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊11為中心， 均勻固定于周圍的機(jī)架10上，各壓電復(fù)合板之間呈現(xiàn)正三棱柱體狀陣列分布。
實(shí)施例4 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :如圖5(b)所示，壓電復(fù)合板12為梯形結(jié)構(gòu)，
其中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結(jié)構(gòu)，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖5(a)所示，所述若干個(gè)壓電復(fù)合板12沿厚度方向固定于機(jī)架13上，形成壓
電復(fù)合板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組為若干組，各壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊14為中
心，均勻固定于周圍的機(jī)架13上，各壓電復(fù)合板間呈現(xiàn)正四棱柱體狀陣列分布。 實(shí)施例5 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :如圖6(b)所示，壓電復(fù)合板15為梯形結(jié)構(gòu)，
其中，壓電元件和彈性金屬體均為梯形結(jié)構(gòu)，壓電元件沿厚度方向極化。 如圖6所示，所述若干個(gè)壓電復(fù)合板15沿厚度方向固定于機(jī)架16上，形成壓電復(fù)
5合板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組為若干組，各壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊17為中心，均
勻固定于周圍的機(jī)架上，各壓電復(fù)合板之間呈現(xiàn)正六棱柱體狀陣列分布。 實(shí)施例6 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :如圖7所示，所述傳力塊為兩個(gè)，所述傳力塊 19與傳力塊20之間、傳力塊19與壓電復(fù)合板4之間均通過螺栓18連接。
實(shí)施例7 本實(shí)施例除下述特征外同實(shí)施例1 :每個(gè)壓電元件由四層壓電陶瓷片構(gòu)成。 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的
限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，
均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，包括若干個(gè)壓電復(fù)合板，其特征在于所述壓電復(fù)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(fù)合板的一端與機(jī)架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接，呈現(xiàn)梁狀結(jié)構(gòu)；所述若干個(gè)壓電復(fù)合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現(xiàn)棱柱體或長方體陣列分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述彈性金屬體為矩形或梯形結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述壓電元件為若干層壓電陶瓷片，其層數(shù)為偶數(shù)層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述壓電元件為矩形或梯形結(jié)構(gòu)，且沿厚度方向極化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述壓電陶瓷片之間通過環(huán)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(huán)氧樹脂粘貼連接于彈性金屬體的上下表面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述若干個(gè)壓電復(fù)合板沿厚度方向固定于機(jī)架上，形成壓電復(fù)合板梁組；所述壓電復(fù)合板梁組為若干組，并均勻固定于機(jī)架上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊為中心，對稱固定于兩側(cè)的機(jī)架上，并呈現(xiàn)長方體狀陣列分布；或所述壓電復(fù)合板梁組之間以傳力塊為中心，均勻固定于周圍的機(jī)架上，所述壓電復(fù)合板間呈現(xiàn)正棱柱體狀陣列分布。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，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(jù)權(quán)利要求1所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述傳力塊為若干個(gè)，所述傳力塊與傳力塊之間、傳力塊與壓電復(fù)合板之間均通過螺栓連接。
10. 由權(quán)利要求1 9任一項(xiàng)所述的多層梁式壓電發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電方法，其特征在于在傳力塊上輸入振動(dòng)信號，以使彈性金屬體發(fā)生彎曲彈性變形；彈性金屬體的彎曲彈性變形轉(zhuǎn)換為壓電元件的壓電效應(yīng)，并在壓電元件的上下表面產(chǎn)生電荷，形成交變電勢；所述交變電勢通過整流濾波電路進(jìn)行整流變換，并通過超低功耗數(shù)字處理芯片進(jìn)行控制輸出直流電或?qū)⒅绷麟妰Υ嫫饋恚怨┦褂谩?br> 全文摘要
本發(fā)明提供了一種多層梁式壓電發(fā)電機(jī)，包括若干個(gè)壓電復(fù)合板，所述壓電復(fù)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(fù)合板的一端與機(jī)架固定連接，另一端與傳力塊剛性連接；所述若干個(gè)壓電復(fù)合板之間通過傳力塊剛性連接，并呈現(xiàn)棱柱體或長方體陣列分布。本發(fā)明還提供了由上述發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電方法，即通過彈性金屬體的彎曲彈性變形轉(zhuǎn)換為壓電元件的壓電效應(yīng)，形成交變電勢；并通過整流變換輸出直流電或?qū)⒅绷麟妰Υ?。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、電荷產(chǎn)生量大、壓電轉(zhuǎn)換效率較高、剛度大、無電磁場作用、體積小、可串并聯(lián)組合等優(yōu)點(diǎn)，可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者張鐵民, 文晟, 梁莉, 陳柱子 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)