一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置屬于基于壓電材料的能量收集領(lǐng)域，涉及一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置，將行人踩踏地板產(chǎn)生的勢(shì)能通過(guò)壓電片轉(zhuǎn)換電能裝置。該裝置中,不同形狀的整體式壓電地板由若干個(gè)六邊形壓電單元組成,每個(gè)六邊形壓電單元由蓋板、固定壓板、壓電片、基板、底板和螺釘組成。本發(fā)明是把周邊固定支撐方式的多邊形壓電結(jié)構(gòu)通過(guò)分塊的方式變成長(zhǎng)懸臂梁支撐方式來(lái)提高位移量和輸出功率值。應(yīng)用于行人密集的地方，如火車站，地鐵站，步行街等地，通過(guò)連接LED和儲(chǔ)能元件的方式，在行走過(guò)程中給行人提供照明，此裝置重量輕、體積小、發(fā)電量大，具有廣泛應(yīng)用的前景。
【專利說(shuō)明】一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于基于壓電材料的能量收集領(lǐng)域，涉及一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置，將行人踩踏地板產(chǎn)生的勢(shì)能通過(guò)壓電片轉(zhuǎn)換電能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前壓電地板結(jié)構(gòu)單元主要有圓盤(pán)形壓電結(jié)構(gòu)、疊堆形壓電結(jié)構(gòu)、拱形壓電結(jié)構(gòu)、橋形壓電結(jié)構(gòu)、鈸形壓電結(jié)構(gòu)、懸臂梁等。目前大部分應(yīng)用于研究的是周邊固定支撐方式的長(zhǎng)方形和圓盤(pán)形壓電結(jié)構(gòu)，如 2011 年 PisharodyHarikrishnan G 在 Innovative Smart GridTechnologies-1ndia ISGT India, IEEE PES 的第 244-247 頁(yè)中發(fā)表了題目為 “An optimaldesign for piezoelectric energy harvesting system，，論文。文章中描述了米用壓電圓盤(pán)結(jié)構(gòu)制作壓電地毯。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的專利號(hào)201110283546.9，名稱為“一種壓電能量收集單元及其應(yīng)用”的專利，該專利中采用了圓盤(pán)和長(zhǎng)方形壓電結(jié)構(gòu)能量收集單元。上述壓電結(jié)構(gòu)技術(shù)相對(duì)成熟，輸出功率大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承載力大，但是由于方形和圓盤(pán)形壓電結(jié)構(gòu)采用周邊固定支撐方式，因此，壓電材料變形小，沒(méi)有充分地發(fā)揮發(fā)電能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置，發(fā)明是將周邊固支或邊界自由支撐的圓盤(pán)壓電結(jié)構(gòu)和方形壓電結(jié)構(gòu)通過(guò)分塊成六邊形壓電單元的方式，取消相互的制約，使壓電片成為三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)；在保持人的踩踏舒適度的前提下，充分利用懸臂梁易產(chǎn)生大撓度的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)電結(jié)構(gòu)單元提高輸出功率。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種分塊式壓電懸臂梁的壓電地板裝置，其特征是，該裝置中，不同形狀的整體式壓電地板7由若干個(gè)六邊形壓電單元組成，每個(gè)六邊形壓電單元由蓋板1、固定壓板2、壓電片3、基板4、底板5和螺釘6組成；基板4安裝在具有內(nèi)腔的底板5上,六個(gè)壓電片3分別粘接在六個(gè)基板4的前部三角形部分上,六個(gè)基板4以環(huán)繞的形式安裝在底板5上；壓板2安裝在基板4上面，使壓電片3成為三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)；并通過(guò)螺釘6將壓板2、基板4和底板5固定在一起；下表面中心具有一個(gè)凸臺(tái)的蓋板I安裝在壓板2上面，并使下表面中心凸臺(tái)壓在六個(gè)壓電片3的三角形頂端。
[0005]本發(fā)明的效果和益處與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用壓電片懸臂梁支撐方式，把整體式壓電結(jié)構(gòu)通過(guò)三角形分塊的方式來(lái)消除相互制約，使得壓電片變形更大，在保持行走舒適度的前提下通過(guò)提高位移量來(lái)提高功率。本發(fā)明應(yīng)用于行人密集的地方，比如火車站，地鐵站，步行街等地通過(guò)連接LED和儲(chǔ)能元件的方式，在行走過(guò)程中給行人提供照明，且此結(jié)構(gòu)重量輕體積小發(fā)電量大具有廣泛應(yīng)用的前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1是六邊形壓電單元的結(jié)構(gòu)圖。
[0007]圖2是去掉蓋板的六邊形壓電單元結(jié)構(gòu)圖。[0008]圖3是去掉蓋板和壓板的六邊形壓電單元結(jié)構(gòu)圖。其中:1_蓋板、2-固定壓板、3-壓電片、4-基板、5-底板、6-螺釘。
[0009]圖4是安裝有16個(gè)頂角為60度的正三角形壓?jiǎn)卧姆植际疽鈭D。其中:7_壓電地板。
[0010]圖5是壓電片和基板厚度相同的壓電地板輸出功率曲線圖。其中al-采用頂角為60度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a2-頂角為90度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a3-頂角為120度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a4-圓盤(pán)形壓電結(jié)構(gòu)輸出功率曲線圖。
[0011]圖6是自由端位移相同情況下的壓電地板輸出功率比較曲線圖。其中，bl_頂角為60度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b2-頂角為90度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b3-頂角為120度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b4-圓盤(pán)形壓電結(jié)構(gòu)輸出功率曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0013]壓電地板收集能量是通過(guò)利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)壓電地板把人行走時(shí)產(chǎn)生的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)時(shí)為地面上的LED燈提供電能進(jìn)行照明。人踩踏所產(chǎn)生的力方向是垂直向下，把這個(gè)方向的作用力充分利用起來(lái)是設(shè)計(jì)發(fā)電地板的關(guān)鍵，因此，本發(fā)明的分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板能量收集裝置的工作原理是把整體式壓電結(jié)構(gòu)通過(guò)分塊形成懸臂梁式壓電地板單元，壓電懸臂梁的形狀來(lái)說(shuō)，近年來(lái)研究表明三角形形狀的功率密度比同樣底邊長(zhǎng)和高度的長(zhǎng)方形大，因此，本專利采用三角形懸臂梁作為分塊式壓電結(jié)構(gòu)單元。不同形狀的整體式結(jié)構(gòu)可以分塊成多個(gè)三角形分塊懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，方形結(jié)構(gòu)分成四個(gè)直角三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，三角形分成120度三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，六邊形分成六個(gè)正三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)單元或者其他角度三角形結(jié)構(gòu)，N多邊形可以分塊成底邊等于多邊形的斜邊長(zhǎng)、頂角為360/N度的三角形，多個(gè)三角形壓電片和基板通過(guò)壓板固定在底板上，實(shí)時(shí)的給LED提供電能。壓電式地板單元結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵核心是保持人的踩踏舒適度，當(dāng)人行走時(shí)踩踏舒適度范圍在O到3mm之間，因此，向下位移一般不超過(guò)3mm的情況下壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充分的變形，來(lái)提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。在附圖1、附圖2、附圖3中，該裝置中的六邊形壓電單元由蓋板1、壓板2、壓電片3、基板4、底板5和螺釘6組成。固定壓板2和基板4通過(guò)螺釘6固定在底板5上，蓋板I中心的凸起部分壓在壓電片頂端，當(dāng)有踩踏時(shí)，蓋板I的凸起使得壓電片在底板5的內(nèi)腔空間變形。
[0014]實(shí)施例1，采用六邊形壓電單元組成的壓電地板7:
[0015]頂角為60度、斜邊長(zhǎng)為25mm的三角形結(jié)構(gòu)的壓電片3和基板4的厚度分別為
0.2mm和0.4mm。壓電片3的材料要根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)選取。比如，可以選擇壓電單晶，如銀鎂酸鉛-鈦酸鉛PMN-PT、無(wú)鉛壓電材料、鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇NBBT等具有較好壓電性能或價(jià)格相對(duì)廉價(jià)的壓電片材料?？梢赃x擇圓形、方形、三角形、六邊形等形狀按尺寸切割，把選取好的六個(gè)正三角形壓電片分別粘貼在六個(gè)基板4上,六個(gè)基板4以環(huán)繞的形式安裝在底板5上，裝上壓板2，并用螺釘6固定在底板5?；?的材質(zhì)和尺寸可以根據(jù)具體需要選取彈性好、可焊性好和抗疲勞性突出的材料，如磷青銅、猛鋼、不銹鋼等。為了使壓電片3產(chǎn)生充分的變形，底板5上具有內(nèi)腔，固定壓板4采用絕緣、重量輕、有硬度的塑料材料，如選用ABS材料、SLA材料等。利用蓋板I上的凸起使六個(gè)壓電三角形懸臂梁同時(shí)產(chǎn)生變形，給外接的負(fù)載提供電能。圖4是16個(gè)六邊形壓電單元組成的壓電地板7，壓電地板尺寸為25cmX30cm,六邊形壓電單元覆蓋率達(dá)到90%。
[0016]實(shí)施例2，采用4個(gè)三角形懸臂梁圍成一個(gè)方形壓電單元:
[0017]頂角為90度、斜邊長(zhǎng)為25mm的三角形結(jié)構(gòu)的壓電片3和磷青銅基板4的厚度分別為0.17mm和0.34mm。4個(gè)90度三角形懸臂梁圍成一個(gè)方形為一個(gè)單元，制作90度三角形壓電結(jié)構(gòu)單元包括懸臂梁壓電片，底板，壓板，蓋板，安裝方式如同實(shí)例I。同樣在25cmX 30cm地板上，可以鋪設(shè)20個(gè)方形壓電單元，覆蓋率達(dá)到84%。
[0018]實(shí)施例3，采用3個(gè)120度三角形懸臂梁圍成一個(gè)方形壓電單元:
[0019]頂角為120度、斜邊長(zhǎng)為25mm的三角形結(jié)構(gòu)壓電片3和磷青銅基板4的厚度分別為0.13mm和0.26mm。3個(gè)120度三角形壓電懸臂梁圍成一個(gè)方形壓電單元，安裝方式如同實(shí)例I。同樣在25cmX 30cm地板上可鋪設(shè)20個(gè)方形壓電單元，覆蓋率達(dá)到84%。
[0020]通過(guò)ANSYS軟件仿真比較不同結(jié)構(gòu)的壓電地板在同樣厚度和同樣位移下的輸出功率曲線圖。圖4和圖5分別表示當(dāng)IOOkg的行人踩踏20cmX20cm的地板時(shí)輸出功率曲線圖，頂角為60度、90度、120度以及圓盤(pán)壓電地板的壓電片3和基板4的厚度分別為
0.2/0.4mm，在承載IOOkg的行人時(shí)，承受的力分別為10.2NU5.3Ν、20.4Ν、61.2Ν。輸出功率曲線分別如圖5中al、a2、a3、a4所示，位移量分別為2.0OmmU.362mm、0.64mm、0.49mm。各個(gè)三角形自由端都發(fā)生2mm位移下，頂角為60度、90度、120度以及圓盤(pán)壓電結(jié)構(gòu)單元的壓電片厚度和基板厚度分別為 0.2mm/0.4mm、0.1 7mm/0.34mm、0.13mm/0.26mm、0.125mm/0.25mm。
[0021]I)當(dāng)壓電地板由16個(gè)六邊形壓電單元組成，每個(gè)六邊形壓電單元由6個(gè)斜邊長(zhǎng)為25mm的頂角為60度的三角形懸臂梁圍成一個(gè)六邊形壓電單元，壓電片和基板厚度分別為0.2mm和0.4mm時(shí)產(chǎn)生的位移變量為2mm，輸出功率曲線分別是al和bl。
[0022]2)當(dāng)壓電地板由16個(gè)四邊形壓電單元組成，每個(gè)四邊形壓電單元由4個(gè)斜邊長(zhǎng)為25mm的頂角為90度的三角形懸臂梁圍成一個(gè)四邊形壓電單元，壓電片和基板厚度分別為0.2_和0.4mm時(shí)輸出功率曲線a2，位移變量為1.362_。當(dāng)位移變量設(shè)定為2_，壓電片和基板厚度分別0.17mm和0.34_，此時(shí)輸出的功率曲線b2。
[0023]3)當(dāng)壓電地板由16個(gè)三角形壓電單元組成，每個(gè)三角形壓電單元由三個(gè)斜邊長(zhǎng)為25mm的頂角為120度的三角形懸臂梁圍成一個(gè)三角形壓電單元。壓電片和基板厚度分別為0.2mm和0.4mm時(shí)輸出功率曲線a3，位移變量為0.49mm。當(dāng)位移變量設(shè)定為2mm，壓電片和基板厚度分別0.125mm和0.25mm時(shí)輸出的功率曲線b3。
[0024]4)當(dāng)壓電地板由16個(gè)圓盤(pán)構(gòu)成，每個(gè)圓盤(pán)中，基板半徑為25mm,壓電片半徑為20_。當(dāng)壓電片和基板厚度分別為0.2_和0.4_時(shí)輸出功率曲線a4，位移變量為0.64mm ；當(dāng)位移變量設(shè)定為2mm，壓電片和基板厚度分別0.13mm和0.26mm時(shí)輸出的功率曲線b4。
[0025]在同樣厚度下進(jìn)行比較，16個(gè)六邊形壓電單元組成的壓電地板輸出功率al最大，16個(gè)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)單元輸出功率a4最小。在同樣位移量下比較三個(gè)三角形壓電單元構(gòu)成的壓電地板輸出功率值bl、b2、b3相近,16個(gè)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)單兀的輸出功率b4最小。若發(fā)生同樣的踩踏下陷位移時(shí)，比較三個(gè)分塊三角形所用的壓電片和基板材料體積，頂角為120度三角形比較經(jīng)濟(jì)。因此，在不同應(yīng)用情況下可以選取不同形狀的壓電單元來(lái)制作壓電地板。
【權(quán)利要求】
1.一種分塊懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電地板裝置，其特征是，該裝置中，不同形狀的整體式壓電地板(7)由若干個(gè)六邊形壓電單元組成，每個(gè)六邊形壓電單元由蓋板(I)、固定壓板(2)、壓電片(3)、基板(4)、底板(5)和螺釘(6)組成；基板(4)安裝在具有內(nèi)腔的底板(5)上,六個(gè)壓電片(3)分別粘接在六個(gè)基板⑷的前部三角形部分上，六個(gè)基板⑷以環(huán)繞的形式安裝在底板5上；壓板(2)安裝在基板(4)上面，使壓電片(3)成為三角形懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)；并通過(guò)螺釘(6)將壓板(2)、基板(4)和底板(5)固定在一起；下表面中心具有一個(gè)凸臺(tái)的蓋板(I)安裝在壓板(2)上面，并使下表面中心凸臺(tái)壓在六個(gè)壓電片(3)的三角形頂端。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104009669SQ201410255514
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】董維杰, 金海泉, 白鳳仙 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)