一种旋转式压电发电装置，包括多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4和圆形外壳3，多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4安装在圆形外壳3内部，多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，多个压电谐振器4沿外壳3的内壁圆周与圆形外壳3内壁刚性连接为一体，轴2与外壳3为同轴心；在叶片1与圆形外壳3产生相对运动过程中，叶片1对压电谐振器4产生脉冲式激励，在压电谐振器4的被冲击和衰减振动中产生电能。本发明通过旋转叶片将激励以脉冲式冲击荷载施加于谐振器，可以得到高初始瞬间功率，通过多个旋转叶片间次激励的方式，使得谐振器上的激励频率比原外来激励频率又可增大数倍，由此，压电谐振器的激励频率得到很大提高，能量收集效率高。
1.一种旋转式压电发电装置，包括多个叶片(1)、轴(2)、多个压电谐振器(4)和圆形外壳(3)，多个叶片(1)、轴(2)、多个压电谐振器(4)安装在圆形外壳(3)内部，其特征在于：多个叶片(1)沿轴(2)的圆周与轴(2)刚性连接为一体，多个压电谐振器(4)沿外壳(3)的内壁圆周与圆形外壳(3)内壁刚性连接为一体，轴(2)与外壳(3)为同轴心；在叶片(1)与圆形外壳(3)产生相对运动过程中，叶片(1)对压电谐振器(4)产生脉冲式激励，在压电谐振器(4)的被冲击和衰减振动中产生电能；所述的压电谐振器(4)包括压头(5)、外围套筒(6)、质量块(7)、压电堆(8)、弹簧(9)和电缆(10)，压头(5)位于外围套筒(6)顶端，且与外围套筒(6)顶端孔壁无摩擦接触，压头(5)下端穿过外围套筒(6)顶部与外围套筒(6)内部的质量块(7)连接，质量块(7)与压电堆(8)连接，弹簧(9)的一端固定于压电堆(8)的底端，弹簧(9)的另外一端固定于外围套筒(6)的底端；压电堆(8)上下端面与电缆(10)的两个端子分别电气连接，其连接处通过环氧树脂进行绝缘保护；电缆(10)的两个端子通过外围套筒(6)的侧壁的伸出筒外，与外接电路电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式压电发电装置，其特征在于：所述的多个叶片(1)沿轴(2)的圆周与轴(2)刚性连接为一体，每个叶片(1)之间的夹角相同，每个压电谐振器(4)之间的夹角与每个叶片(1)之间的夹角相同，在发电过程中，每个叶片(1)都有相应压电谐振器(4)进行对应碰撞。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式压电发电装置，其特征在于：所述的多个叶片(1)沿轴(2)的圆周与轴(2)刚性连接为一体，每个叶片(1)之间的夹角相同，每个压电谐振器(4)之间的夹角不相同，在发电过程中，不是所有的叶片(1)与压电谐振器进行碰撞。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式压电发电装置，其特征在于：所述的压电堆(8)包括多个压电片(11)和多个电极(12)，压电片(11)与电极(12)交错布置连接，其中相邻两片压电片(11)极化方向相反。
旋转式压电发电装置
技术领域
[0001] 本发明涉及能量收集装置，具体涉及一种旋转式压电发电装置。
背景技术
[0002] 由于地球化石能源的过度使用，导致能源短缺、气候变迁及温室效应等众多问题，因此各国开始寻找无污染可替代能源，如太阳能、水力、地热、风能、潮汐能、海洋温差及机械振动能。因振动能不受天气因素的影响，不受季节影响，在生活环境中非常普遍，且采用适当汲取装置即可转换成电能形式，它已成为新的能量收集研究热点。振动能量收集主要有电磁式、静电式和压电式三种形式。相比于前两种转换装置，压电式发电装置具有能量密度高、结构简单、质量轻、动作反应快、体积小、噪声低、不发热、无电磁干扰、无污染、对环境干扰的敏感度低、便于与主体结构进行连接、不需要固定磁场或静电场、易于加工制作和实现机构的微小化、集成化等优点。
[0003] 随着各式便携式电子产品的需求与日俱增及无线传感等微器件的不断发展，微电子领域的学者对压电集能装置率先开展了一系列研究和应用。由于微电子领域，能量需求小，且空间比较小，故在该领域，学者主要采用31模式发电装置，能量密度更高的33模式压电堆发电装置因其脆性不易变形研究很少。高频振动尤其是共振频率下，基于31模式压电发电装置的发电性能的研究比较多，而对周遭环境中更为普遍的低频振动能量收集研究太少，如机械振动，路面激励，土木结构中的振动能量。
[0004] 鉴于机械振动、路面激励、土木结构中的地震或风振等振动能量较大，研究压电叠堆在低频振动时的发电特性会更有实际意义。但这些振动多为低频振动，实际环境中的振动频率一般几赫兹至几十赫兹，能量密度高的33模式压电堆发电装置补偿其低频劣势，且结构设计调整可以提高结构上的加载频率，提高能量转换效率。
发明内容
[0005] 本发明是为了解决现有的基于低频振动下，压电能量收集装置转换效率低的问题，提出一种高效率的旋转式压电发电装置。
[0006] 本发明所采用的技术如下：
[0007] 一种旋转式压电发电装置，包括多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4和圆形外壳3，多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4安装在圆形外壳3内部，其特征在于：多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，多个压电谐振器4沿外壳3的内壁圆周与圆形外壳3内壁刚性连接为一体，轴2与外壳3为同轴心；在叶片1与圆形外壳3产生相对运动过程中，叶片1对压电谐振器4产生脉冲式激励，在压电谐振器4的被冲击和衰减振动中产生电能。
[0008] 本发明还具有如下特征：
[0009] 1、所述的压电谐振器4包括压头5、外围套筒6、质量块7、压电堆8、弹簧9和电缆10，压头5位于外围套筒6顶端，且与外围套筒6顶端孔壁无摩擦接触，压头5下端穿过外围套筒6顶部与外围套筒6内部的质量块7连接，质量块7与压电堆8连接，弹簧9的一端固定于压电堆8的底端，弹簧10的另外一端固定于外围套筒6的底端；压电堆8上下端面与电缆10的两个端子分别电气连接，其连接处通过环氧树脂进行绝缘保护；电缆10的两个端子通过外围套筒6的侧壁的伸出筒外，与外接电路电气连接。
[0010] 2、多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，每个叶片1之间的夹角相同，每个压电谐振器4之间的夹角与每个叶片1之间的夹角相同，在发电过程中，每个叶片1都有相应压电谐振器4进行对应碰撞。
[0011] 3、多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，每个叶片1之间的夹角相同，每个压电谐振器4之间的夹角不相同，在发电过程中，不是所有的叶片1与压电谐振器4进行碰撞。
[0012] 本发明通过旋转叶片将激励以脉冲式冲击荷载施加于谐振器，可以得到高初始瞬间功率，能量收集效率高。在每个谐振器激励后的衰减振动中，振动频率为自振频率，比原外来激励频率增大数倍；通过多个旋转叶片间次激励的方式，使得谐振器上的激励频率比原外来激励频率又可增大数倍，由此，压电谐振器的激励频率得到很大提高，能量收集效率也得到很大提高。
附图说明
[0013] 图1为本发明的结构示意图。
[0014] 图2为压电谐振器的结构示意图。
[0015] 图3为压电效应原理示意图。
[0016] 图4为压电堆构成示意图。
[0017] 图5为1/4总数的压电谐振器可以与叶片同时碰撞。
[0018] 图6为1/2总数的压电谐振器可以与叶片同时碰撞。
具体实施方式
[0019] 实施例1：
[0020] 结合图1说明本实施方式，本实施方式包括多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4和圆形外壳3，多个叶片1、轴2、多个压电谐振器4安装在圆形外壳3内部，其特征在于：多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，多个压电谐振器4沿外壳3的内壁圆周与圆形外壳3内壁刚性连接为一体，轴2与外壳3为同轴心；在叶片1与圆形外壳3产生相对运动过程中，转动叶片1间次地敲击压电谐振器4，使其在其自振频率下发生振动变形，从而将作用在其上的冲击荷载转化为电能。通过将低频率、高能量的机械或土木领域的振动荷载，以冲击荷载方式作用于压电谐振器上，提高了压电谐振器4的加载频率。
[0021] 该装置很好地解决了不同外来频率的荷载条件下压电发电装置的适应性问题，发电系统能够在各种条件下以所设定的压电谐振器的自振频率输出电能，提高了整个发电系统的发电可靠性。
[0022] 实施例2：
[0023] 结合图2所示，压电谐振器4包括压头5、外围套筒6、质量块7、压电堆8、弹簧9和电缆10，压头5位于外围套筒6顶端，且与外围套筒6顶端孔壁无摩擦接触，压头5下端穿过外围套筒6顶部与外围套筒6内部的质量块7连接，质量块7与压电堆8连接，弹簧9的一端固定于压电堆8的底端，弹簧9的另外一端固定于外围套筒6的底端；压电堆8上下端面与电缆10的两个端子分别电气连接，其连接处通过环氧树脂进行绝缘保护；电缆10的两个端子通过外围套筒6的侧壁的伸出筒外，与外接电路电气连接。压头5在转动叶片1敲击下，产生脉冲荷载，并带动质量块7和压电堆8产生振幅衰减的谐振运动，并在运动过程中产生电能。弹簧9在压头5，质量块7和压电堆8谐振过程中，提供刚度和调节压电堆的加载频率，提高装置的发电性能。
[0024] 压电效应原理
[0025] 结合图3说明压电效应原理，当压电片11受到外来作用作用力F时，将在上下表面产生电荷Q，电荷Q与作用力F成线性关系：
[0026] Q＝d33F
[0027] 产生的电压V与作用力F为：
[0028] 其中C为压电堆的电容。
[0029] 实施例3：
[0030] 结合图4说明压电堆结构组成，将压电片11与电极12交错布置制作成压电堆8，其中相邻两片压电片极化方向相反，从而使得压电片11在机械上为串联结构，电学上为并联结构，使得产生的电压值较低便于进行电路中的管理。
[0031] 实施例4：
[0032] 如图5-6所示，多个叶片1沿轴2的圆周与轴2刚性连接为一体，每个叶片1之间的夹角相同，每个压电谐振器4之间的夹角不相同，在发电过程中，不是所有的叶片1与压电谐振器进行碰撞。
