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专利号: 2021112725420
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多方向压电能量收集装置,其特征在于,包括:上盖(1)、曲梁(2)、中间梁(3)、质量块(4)和底座(5);

所述曲梁(2)的上下方分别与上盖(1)和底座(5)固定连接,所述上盖(1)的内部具有第一容纳腔体,所述底座(5)的内部具有第二容纳腔体,所述第一容纳腔体与所述第二容纳腔体相连通,构成容纳空间;

所述曲梁(2)的中部与中间梁(3)顶部固定连接,所述中间梁(3)下方与所述质量块(4)固定连接,中间梁(3)和质量块(4)均位于所述第二容纳腔体中;

所述曲梁(2)由多个子梁组成,多个子梁位于容纳空间中;所述曲梁(2)的表面还设有压电片(6);

所述质量块(4)在振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生惯性力,通过中间梁(3)转化成扭矩并传递给曲梁(2),使曲梁(2)的子梁在容纳空间中进行扭转‑弯曲变形,进而使压电片(6)产生形变,将环境振动能转换为电能。

2.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述曲梁(2)、中间梁(3)和质量块(4)相连接的整体呈空间摆结构,工作时,所述质量块(4)处在悬空状态,可在任意方向振动加速度作用下发生摆动,使曲梁(2)的子梁变形,进而使压电片(6)产生电能;

质量块(4)采用金属材料;

通过弹性挡圈将中间梁(3)与曲梁(2)进行连接,使得中间梁(3)和质量块(4)将在空间上振动转化为梁的扭转‑弯曲振动;

所述中间梁(3)与所述曲梁(2)垂直焊接;所述曲梁(2)可实现3个方向的共振。

3.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述曲梁(2)由金属板进行线切割加工而成,设有两组,两组曲梁(2)并联形成对称结构;每组曲梁(2)均由多个子梁串联而成,多个子梁串联后构成蛇形结构,子梁间呈90度角。

4.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述压电片(6)的形状为矩形,具有正压电效应,由片状压电体以及附着在片状压电体上表面的金属电极组成,所述片状压电体采用压电复合材料,所述金属电极采用金属薄膜,所述金属薄膜上附有铜线,用于输出产生的电能。

5.根据权利要求4所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述压电片(6)设置在曲梁(2)的根部,通过导电环氧胶粘贴在曲梁(2)的上表面和/或下表面。

6.根据权利要求5所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述压电片(6)的长度方向与所述子梁的长度方向一致,所述压电片(6)的宽度与所述子梁的宽度一致。

7.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述中间梁(3)通过紧固螺钉与质量块(4)固定连接,所述中间梁(3)上设置平面,通过紧固螺钉顶紧在中间梁(3)平面的不同位置,调节质量块(4)与中间梁(3)的固定位置,调节质量块(4)的高度,进而来调节摆长。

8.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,所述曲梁(2)与上盖(1)和底座(5)间通过螺栓进行固定连接;所述上盖(1)和所述曲梁(2)四角开设的螺栓孔均为通孔,所述底座(5)四角开设的螺栓孔为螺纹盲孔,螺栓依次插入上盖(1)、曲梁(2)和底座(5)的螺栓孔中进行固定;

所述上盖(1)和所述底座(5)均采用刚性绝缘材料。

9.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置,其特征在于,整个装置的放置方向与最大激励方向同向,其中,所述中间梁(3)轴向与最大振动方向平行。

10.一种如权利要求1‑9任意一项权利要求所述的多方向压电能量收集装置的收集方法,其特征在于,包括如下步骤:

安装上盖(1)、曲梁(2)、中间梁(3)、质量块(4)、底座(5)和压电片(6),曲梁(2)、中间梁(3)和质量块(4)相连接的整体呈空间摆结构,并通过紧固螺钉使质量块(4)在中间梁(3)上调整位置,以适应不同的环境激励;通过中间梁(3)和质量块(4)组成的结构感知外界环境带来任意方向的振动能,质量块(4)在振动源发出的多方向振动加速度的作用下进行三维空间的摆动而产生惯性力,该惯性力通过中间梁(3)传递给曲梁(2),将不同方向的振动能转化为曲梁(2)的扭转‑弯曲振动,使曲梁(2)发生形变,进而产生结构应力,压电片(6)具有正压电效应,在受到结构应力的作用下内部产生极化现象,同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷,产生电能,并通过铜线输出电能,从而实现对三维空间内任一方向上的环境振动能量收集;

所述上盖(1)和底座(5)为刚性材料,二者组成的结构在整个工作过程中未发生结构变形;装置工作时质量块(4)处在悬空状态,可在任意方向振动加速度作用下发生摆动,使曲梁(2)进行变形,进而使压电片(6)产生电能。