[发明专利]附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置

说明书

本发明公开了附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置，是一种将振动能转化为电能的装置；所述装置由支座、压电板、滚动圆柱系统组成。压电板由基板、压电层构成，固定端用螺栓固定于支座的上部。滚动圆柱系统由粘贴在压电板自由端的两个箱子组成，每个箱子由箱体、滚动圆柱、箱盖构成；滚动圆柱随板的大幅振动在箱体中不断滚动并撞击箱壁，调节并降低了该压电俘能装置的固有频率，增大其俘能频宽，提高了该俘能器的能量转换效率和输出电压。支座由基座、压板构成，支座与外部平台通过基座的螺栓孔连接固定。可用于中小型机械自供电系统或振动监测设备。

技术领域

本发明涉及一种附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置，可以在很宽的频带内有效收集周围环境的振动能量进行发电，属于压电发电技术及新能源技术领域。

背景技术

在科技迅猛发展的当今社会，传统能源如石油、天然气、煤炭等不可再生能源的过量使用在加速科技发展的同时，对人们的生存环境也造成了不可恢复的破坏，新能源的开发和新型材料的利用得到了世界各国的重视。

压电俘能器是利用压电材料的压电效应俘获环境中的振动能量并将其转化为电能的设备。与传统电磁感应发电相比，压电俘能器由于其结构简单、易于制造、无污染等优点受到广泛关注。

1999年Boudaoud等人设计了一种附加可移动磁珠的两端固支琴弦结构，磁珠上带有偏心孔，以减小耦合效应，随着磁场的变化，弦的运动引起磁珠位置的改变，从而实现调谐；2008年Wu等人研究并设计出一种带有滑动质量块的螺杆，通过螺杆内外的运动实现调谐，调谐范围达到130-180Hz，但需要手动实现调谐；2009年Kozinsky设计了一种内部带有滑动质量块的空心管，由滑动质量块的运动引起共振，在没有质量块的情况下固有频率为87.7Hz，带有质量块的情况下调谐范围可达83-90Hz，但这种可移动质量块在绕自身轴线转动时会增加耗散；2013年Miller等人研究并设计了一种附加可滑动质量块的两端固支梁结构，通过改变滑动质量块的位置来实现调谐，在0.007-2g的加速度下调谐范围可达45-140Hz，这种结构的自调谐范围对尺寸和使用的材料较不敏感；2011年Schaufuss等人研究并设计出了一种基于杠杆的悬臂结构，通过改变杠杆上质量块的位置实现调谐，调谐范围达到42–55Hz，但需要手动实现调谐；2015年Jackson等人研究并设计出了一种带有液体填充质量块的单压电层悬臂梁，通过液体的运动实现调谐，实现了1.6-4.45Hz的较窄半峰值带宽；2018年Somkuwar等人研究并设计了一种附加可移动圆柱体的中空箱，中空箱内圆柱体的运动改变了结构重心的位置从而使该装置在不同的频率下产生共振，但由于商用PVDF传感器安装问题，这种装置的输出电压较小。

由此可见，可移动质量块不仅可以调节压电俘能装置的固有频率，它们之间的碰撞还可以使小幅运动变成大幅运动，有效地提高了输出功率，从而实现高效率宽频振动的采集效果。

发明内容

本发明的目的是利用滚动圆柱提高压电俘能器的俘能频宽，增大输出电压，使其在多频的振动环境中具有更强的适应性。本发明基于压电板和滚动圆柱系统，提出一种附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置。

为了解决压电俘能器的上述问题，本发明的解决方案如下：

本发明的压电板系统包括基板、压电层，压电层通过JL-510环氧AB胶水粘贴在基板的固定端附近；所述压电层由保护层、压电薄膜、电极层构成，压电层的长宽高尺寸为50×50×0.05mm，电极层分别附着在压电薄膜上下表面，由电极线导出压电层外侧，所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹，保护层厚度为0.125mm。所述压电层材料为极化后的PVDF，电极层材料为银，电极线材料为铜线，保护层材料为聚酯。