CN103560693B - 具有能量采集功能的悬臂梁压电电机 - Google Patents
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Abstract
一种悬臂梁压电电机，特别是具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机。该电机由三个相互垂直正交的悬臂梁压电振子组成T型结构。压电振子1为垂直悬臂梁，压电振子2为水平悬臂梁，压电振子3为竖直悬臂梁，其右端安装摩擦接触头。当给压电振子1和3施加两个同频、同幅且相位相差90°的正弦交流电压时，压电振子1产生左、右弯曲振动，压电振子3产生前、后弯曲振动；压电振子1和压电振子3两者产生的振动合成后，使摩擦接触头301产生椭圆运动轨迹，并驱动与其相接触的转子作旋转或直线运动；同时，压电振子2在压电振子1左、右弯曲振动的激励下作上、下弯曲变形振动，导致压电振子2的压电陶瓷产生交流电压，实现振动能量的采集功能。
Description
技术领域
本发明属于超声波电机制造技术领域，具体涉及一种具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机，是一种集压电驱动与压电发电一体化的机构。
背景技术
压电电机是一种利用压电陶瓷元件的逆压电效应使压电振子产生形变，并驱动与之相接触的转子实现旋转或直线运动的精密驱动器。它广泛应用在精密器械、生物医疗、航空航天、汽车工业等领域。压电电机结构主要包括环行、板状、杆状等，这些结构设计都比较复杂。由于压电电机的发展历史较短以及该种电机的应用前景，迫切需要结构灵活多样的压电电机以满足不同场合的应用需求。悬臂梁作为一种最基本的机械结构，用来制作压电电机非常简便。
压电电机在运行过程中，由于压电振子的振动形变使得结构能耗较大，导致电机性能下降，能源浪费严重。利用压电陶瓷元件的正压电效应采集压电电机运行过程中的振动能量，把耗散的振动能量转换成直流电压后，实现给后续的负载电子器件供电具有较大的应用价值。
国内外有较多的专利申请涉及压电振动能量采集器，典型的压电能量采集器结构主要是悬臂梁单晶片或悬臂梁双晶片压电振子，这些压电振子结构的谐振频带比较窄，难以获得较高的能量转换效率。为提高压电能量采集器的能量转换效率、增加压电能量采集器的有效频带宽度，目前出现了由多个压电振子构成能量采集器，如，中国发明专利201210088945.4提出了一种非接触激励的多维振动能量采集器，可实现任意方向、低频及大振幅的振动能量采集；中国发明专利201010601354.3提出了一种多个悬臂梁压电振子构成蒲公英状的 能量采集器，可实现纵向振动和一个水平方向的振动能量采集；中国发明专利200810021618.0提出一种立方体-球压电能量采集器，等等。通常仅当环境振动方向与悬臂梁压电振子水平中性面垂直时，才会引起悬臂梁产生弯曲振动产生电能，而对于其他振动方向的能量，悬臂梁不产生电能，这就严重降低了能量采集器的输出效率和使用范围。为了能够采集多方向的振动能量，常用的方法是采用多个压电振子分布在不同振动方向上，正如上述专利所述。现有多方向振动能量采集器存在几个问题：1.由于压电振子数目的增多，导致能量采集器的结构与制作工艺比较复杂，后续电路设计繁琐；2.只能采集弯曲振动产生的能量，不能采集扭转振动产生的能量。
发明内容
本发明提出一种具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机，是一种压电驱动与压电发电集成一体化的新型器件，可实现精密驱动和多向振动及扭转振动能量采集等功能。
本发明采用的实施方案是：所述的压电电机由三个夹心式悬臂梁压电振子组成，每个悬臂梁压电振子由金属基板、压电晶片和质量块粘接而成。压电振子(1)为垂直悬臂梁，其底部通过紧固机构与基础(4)固定，在其顶端安装有质量块(101)；质量块(101)在垂直悬臂梁(1)的位置可以改变；压电振子(2)为水平悬臂梁，其右端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)左端面中心位置，其左端安装有质量块(201)；压电振子(3)为竖直悬臂梁，其左端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)右端面中心位置，其右端安装有接触头(301)，压电振子(3)与压电振子(1)、压电振(2)相互垂直正交。
本发明实施方式中，当给压电振子(1)和(3)施加两个同频、同幅且相位相差90°的正弦交流电压时，压电振子(1)产生左、右弯曲振动，压电振子(3)产生前、后弯曲振动；压电振子(1)和压电振子(3)两者产生的振动合成后，使接触头(301)产生椭圆运动轨迹，并驱动与其相接触的转子作 旋转或直线运动；同时，压电振子(2)在压电振子(1)左‘右弯曲振动的激励下作上下的弯曲振动，从而使压电振子(2)产生弯曲变形，该变形促使压电振子(2)产生交流电压，实现振动能量的采集功能。
本发明实施方式中，当压电振子(1)和压电振子(3)未受外界电压激励时，三个压电振子组成T型正交垂直结构，垂直悬臂梁压电振子(1)的中性面与x轴垂直，水平悬臂梁压电振子(2)的中性面与y轴垂直，竖直悬臂梁压电振子(3)的中性面与z轴垂直。当基础(4)作x,y,z三个方向中的任意一个或多个方向的振动时，都会产生其他几个方向的耦合振动，促使悬臂梁压电振子(1)产生沿x轴、悬臂梁压电振子(2)产生沿y轴、悬臂梁压电振子沿z轴的弯曲振动，从而实现x,y,z三个方向振动能量的采集功能。
本发明实施方式中，竖直悬臂梁压电振子(3)与垂直悬臂梁压电振子(1)正交垂直，当基础(4)产生绕y轴方向的扭转振动时，引起垂直悬臂梁压电振子(1)产生绕y轴的扭转变形，该扭转变形促使竖直悬臂梁压电振子(3)产生沿z轴的弯曲振动，最终实现对基础(4)扭转振动能量的采集功能。
本发明的特点及优势在于：1.利用3个悬臂梁压电振子正交垂直的组成方式，可实现压电驱动和多方向的压电能量采集与转换等功能；2.结构和制作工艺非常简单，后续电路设计也简单。
附图说明
图1是本发明中压电电机的三维立体视图；
图2是图1的正视图；
图3是图1的俯视图；
具体实施方式
如图1、2、3所示，压电振子(1)为垂直悬臂梁，其底部通过紧固机构固定在基础(4)上，其顶端安装有质量块(101)；压电振子(2)为水平悬臂梁，其右端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)左端面中心位置，其左端安 装有金属质量块(201)；压电振子(3)为竖直悬臂梁，其左端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)右端面中心位置，其右端安装接触头(301)，悬臂梁(3)与悬臂梁(1)、悬臂梁(2)正交垂直组成T型结构。
两片极化方向相反的压电陶瓷通过环氧树脂黏结在压电振子(1)、压电振子(2)和压电振子(3)的基体上，形成夹心结构。
为了高效地采集基础(4)的低频振动能量，压电振子(1)顶端的质量块(101)的垂直位置是可调的，通过调节质量块(101)在压电振子(1)的垂直位置，使压电振子(1)的谐振频率与基础(4)的振动频率一致。
当给压电振子(1)和(3)施加两个同频、同幅且相位相差90°的正弦交流电压时，压电振子(1)产生左、右弯曲振动，压电振子(3)产生前、后弯曲振动；压电振子(1)和压电振子(3)两者产生的振动合成后，使接触头(301)产生椭圆运动轨迹，并驱动与其相接触的转子作旋转或直线运动；同时，压电振子(2)在压电振子(1)左、右弯曲振动的激励下作上下的弯曲振动，从而使压电振子(2)产生弯曲变形，该变形促使压电振子(2)产生交流电压，实现振动能量的采集功能。
当压电振子(1)和压电振子(3)未受外界电压激励时，压电振子(1)、(2)和(3)组成T型正交垂直结构，垂直悬臂梁压电振子(1)的中性面与x轴垂直，水平悬臂梁压电振子(2)的中性面与y轴垂直，竖直悬臂梁压电振子(3)的中性面与z轴垂直，当基础(4)作x,y,z三个方向中的任意一个或多个方向的振动时，都会产生其他几个方向的耦合振动，促使悬臂梁压电振子(1)产生沿x轴、悬臂梁压电振子(2)产生沿y轴、悬臂梁压电振子沿z轴的弯曲振动，从而实现x,y,z三个方向振动能量的采集功能。
在自然状态下，压电振子(1)、压电振子(2)和压电振子(3)保持相对静止状态。当基础作沿x或y方向的往复振动时，压电振子(1)、压电振子(2)和压电振子(3)的相对静止状态被破坏，垂直压电振子(1)由于基础振动及 其顶端质量块(101)的惯性作用，其顶端沿x轴作往复弯曲振动；水平压电振子(2)由于其左端质量块(201)的惯性作用产生沿y轴的弯曲振动；同时，由于振动的耦合作用，水平压电振子(2)产生的沿y轴的弯曲振动使得压电振子(1)产生沿x方向的振动，而垂直压电振子(1)的沿y轴的弯曲振动也使得压电振子(2)产生沿y方向的振动。
当基础作沿z方向的往复振动时，竖直压电振子(3)由于其右端接触头(301)的惯性作用产生平行于z轴的弯曲振动，垂直压电振子(1)产生绕y轴的扭转振动；当基础作绕y轴的扭转振动时，竖直压电振子(3)由于其右端质量块(301)的惯性作用产生平行于z轴的弯曲振动。
Claims (3)
1.具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机，其特征在于：所述的压电电机由三个夹心式悬臂梁压电振子组成，每个悬臂梁压电振子由金属基板、压电晶片和金属质量块粘接而成；压电振子(1)为垂直悬臂梁，其底部通过紧固机构与基础(4)固定，在其顶端安装有质量块(101)；质量块(101)在垂直悬臂梁(1)的位置可以改变；压电振子(2)为水平悬臂梁，其右端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)左端面中心位置，其左端安装有质量块(201)；压电振子（3）为竖直悬臂梁，其左端固定在悬臂梁(1)顶端质量块(101)右端面中心位置，其右端安装有接触头(301)，压电振子(3)与压电振子(1)、压电振子(2)相互垂直正交；当给压电振子(1)和(3)施加两个同频、同幅且相位相差90°的正弦交流电压时，压电振子(1)产生左、右弯曲振动，压电振子(3)产生前、后弯曲振动；压电振子(1)和压电振子(3)两者产生的振动合成后，使接触头(301)产生椭圆运动轨迹，并驱动与其相接触的转子作旋转或直线运动；同时，压电振子(2)在压电振子(1)左、右弯曲振动的激励下作上、下的弯曲振动，从而使压电振子(2)产生弯曲变形，该变形促使压电振子(2)的压电陶瓷产生交流电压，从而实现振动能量的采集功能。
2.根据权利要求1所述的具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机，其特征在于：当压电振子(1)和压电振子(3)未受外界电压激励时，它们也可以用来采集基础(4)的振动能量，且压电振子(1)顶端质量块(101)的垂直位置可以调整，以便压电振子(1)的谐振频率与基础(4)的振动频率一致，实现最大效率的能量采集。
3.根据权利要求1所述的具有振动能量采集功能的悬臂梁压电电机，其特征在于：三个压电振子组成T型正交垂直结构，不仅可以采集基础(4)作x、y、z三个方向中任意一个方向的横向振动产生的能量，还可以采集基础(4) 作扭转振动产生的能量。
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