CN104393787A - 一种旋转式压电悬臂梁俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源发电技术和测量、测试技术领域，具体涉及一种旋转式压电悬臂梁俘能器，包括底座、壳体、压电悬臂梁和收集电路板，壳体固定设置在底座上，壳体为矩形镂空壳体，矩形镂空壳体一侧开设有夹缝开口，夹缝开口两侧各向外延伸有一定位片，压电悬臂梁包括一铝合金基板以及设置在铝合金基板两侧的压电单元，铝合金基板一端夹设在夹缝开口及两定位片内并与两定位片固定连接，铝合金基板自由端两侧固定连接两质量块，铝合金基板的自由端及其连接的两质量块位于底座的旋转轴上，收集电路板固定在壳体的一侧壁外表面。本发明能最大程度的减小质心在转动过程中的离心力，减小因大离心力引起的悬臂梁刚度增强，振动幅度减小的问题。

Description

一种旋转式压电悬臂梁俘能器

技术领域

本发明涉及新能源发电技术和测量、测试技术领域，具体涉及一种旋转式压电悬臂梁俘能器，可用于高速旋转运动中的能量回收。

背景技术

旋转运动是一种非常常见的机械运动形式。在许多应用中，旋转系统的工作状态监测显得尤为重要。在工作状态监测过程中，很关键的一个问题在于获取被检测系统的运行信息来判断该系统的工作状态，因此信息间的传输变得至关重要。实际应用中通常采用无线通信的方式进行信息传输。在这些应用中，一般需要非充电电池来对监测系统进行供电。由于该电池有限的使用寿命，使用者在使用过程中就不可避免地需要一次次更换这些电池，显得十分不便。因此，就需要一种能够从周围环境获取所需能量的方法。旋转运动自身包含有大量的机械能，若能将机械能转化为电能则可满足这个需要。目前，从机械能到电能的转换途径有多种多样，包括静电式、电磁式和压电式俘能器。这其中，将压电式俘能器受到了越来越多的关注。然而，针对旋转运动中的压电俘能问题，由于旋转运动产生的离心力不利于压电俘能输出，尚未有较好的结构来解决离心力引起的问题。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种旋转式压电悬臂梁俘能器，以解决旋转面垂直于地面的旋转运动中机械能通过压电效应转换成电能的问题，为旋转运动的监测系统提供所需的能量。本发明的旋转式压电悬臂梁俘能器可适用的旋转运动如旋转中的汽车轮胎，转动的叶轮等。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种旋转式压电悬臂梁俘能器，包括底座、壳体、压电悬臂梁和收集电路板，所述壳体固定设置在底座上，所述壳体为矩形镂空壳体，所述矩形镂空壳体一侧开设有夹缝开口，夹缝开口两侧各向外延伸有一定位片，所述压电悬臂梁包括一铝合金基板以及设置在铝合金基板两侧的压电单元，所述铝合金基板一端夹设在夹缝开口及两定位片内并与两定位片固定连接，实现压电悬臂梁与壳体的固定，铝合金基板自由端两侧固定连接两质量块，铝合金基板的自由端及其连接的两质量块位于底座的旋转轴上，实现整个压电悬臂梁可动部分的质心位于旋转轴上，所述收集电路板固定在壳体的一侧壁外表面，并通过两独立导线与压电单元两端电性连接。

进一步的，两定位片以及铝合金基板上相对设有螺孔，通过螺栓穿过螺孔并与螺母固定连接。

进一步的，所述铝合金基板和压电单元之间通过绝缘粘合层粘合而成。压电元件与铝合金基板之间用绝缘粘合层隔绝，防止电荷泄漏。

进一步的，所述矩形镂空壳体短边两侧底部分别延伸出安装板，每一所述安装板上设有两安装孔，通过螺钉穿过该安装孔与底座固定，实现安装板与底座的固定连接。

进一步的，所述矩形镂空壳体的长边两侧中间位置的底部分别向外延伸出安装台，每一所述安装台上设有一安装孔，通过螺钉穿过该安装孔与底座固定，实现安装台与底座的固定连接。

更进一步的，所述安装台与矩形镂空壳体的长边两侧中间位置的顶部还设有直角连接板。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的旋转式压电悬臂梁俘能器，其压电悬臂梁的可动部分的质心位于旋转轴上，最大程度的减小质心在转动过程中的离心力，减小因大离心力引起的悬臂梁刚度增强，振动幅度减小的问题。

2、本发明的旋转式压电悬臂梁俘能器使得离心力的方向基本沿着悬臂梁平面的法向方向，而不是现有技术中的径向方向，令离心力和重力的合力成为一个周期性的方向交替变换的力，该合力作用在悬臂梁平面的法向方向，使得悬臂梁周期性振动；

3、本发明的旋转式压电悬臂梁俘能器通过壳体的阻挡作用，限制质量块的最大离心距离，从而限制质量块的最大离心力，使其小于质量块所受重力，避免质量块在转动过程中由于离心力作用与其中的壳体某部位一直接触，无振动产生；限制距离d需满足公式其中，g表示重力加速度，ω表示旋转角速度。同时还能够限制质量块的最大离心距离，避免因离心距离过大造成悬臂梁的过大形变而损坏。

附图说明

图1是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的结构示意正视图；

图2是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的结构简图；

图3是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的结构示意俯视图；

图4是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的结构示意左视图；

图5是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的结构示意右视图。

图6是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器静态时的立体示意图。

图7是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器的壳体的立体示意图。

图8是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器的质量块与压电悬臂梁配合的立体示意图。

图9是本发明中实施例旋转式压电悬臂梁俘能器的压电悬臂梁的铝合金基板示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1至图9所示，本发明的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，包括圆盘底座1、壳体5、压电悬臂梁15和收集电路板19，所述壳体5固定设置在底座1上，所述壳体5为矩形镂空壳体5，矩形镂空壳体5短边两侧底部分别延伸出安装板53，每一所述安装板53上设有两安装孔531，所述矩形镂空壳体5的长边两侧中间位置的底部分别向外延伸出安装台54，每一所述安装台54上设有一安装孔541，所述矩形镂空壳体5和底座1分别通过螺钉2、螺钉4、螺钉6、螺钉9、螺钉13、螺钉17穿过上述安装孔531,541实现矩形镂空壳体5和底座1之间的固定连接。

为了进一步保证固定的稳定性，所述安装台54与矩形镂空壳体5的长边两侧中间位置的顶部还设有直角连接板55，所述直角连接板55的设置，能够有效消除整个矩形镂空壳体5振动时的应力，保持固定的稳定性。

所述矩形镂空壳体5一侧开设有夹缝开口51，夹缝开口51两侧各向外延伸有一定位片52，所述压电悬臂梁15包括一铝合金基板151以及设置在铝合金基板151两侧的压电单元11，所述铝合金基板151和压电单元11之间通过绝缘粘合层12粘合而成。压电元件11与铝合金基板151之间用绝缘粘合层12隔绝，防止电荷泄漏。所述铝合金基板151一端夹设在夹缝开口51及两定位片52内并与两定位片52固定连接，实现压电悬臂梁15与壳体5的固定。具体地，所述两定位片52上设有螺孔521，所述铝合金基板151上相应位置处设有螺孔1511，通过固定螺栓16穿透螺孔521和螺孔1511，并配合一螺母14的夹持力，实现压电悬臂梁15与壳体5的固定。

铝合金基板151自由端两侧固定连接两质量块3,7，具体地，所述铝基板151自由端设有安装孔1512，相应地，两质量快3,7相应位置设有安装孔31，通过螺栓10穿透安装孔1512和安装孔31，并配合螺母8的夹持力，实现整个铝合金基板151自由端与两质量块3，7的固定连接。

而实施例的关键点在于，铝合金基板151自由端大致位于圆盘底座1的旋转轴，那么与铝合金基板151自由端连接的两质量块3,7的质心就位于了旋转轴上，也就是说整个压电悬臂梁15可动部分(即自由端及其连接的两质量块3,7)的质心位于旋转轴上。

所述收集电路板19通过螺钉固定在矩形镂空壳体5的设有夹缝开口51一侧的壁外表面，并通过两独立导线与压电单元11两端电性连接，具体地，压电单元11分别引出导线18与收集电路板19电性连接，导线18间彼此独立、互不相连。所述多个压电元件11通过导线18与收集电路板19电性连接，通过收集电路板19的电平转换和储存功能获得电能。

本发明的工作原理是：

启动旋转式压电悬臂梁俘能器，当圆盘底座1转动时，压电悬臂梁15做振动，拉伸/压缩压电元件11使其产生形变，压电元件11两端面通过压电效应产生电荷。压电悬臂梁15振动频率等于底座1转动频率。矩形镂空壳体5的两侧壁起到阻挡块的作用。通过收集电路板19的电平转换和储存功能获得电能。电能由粘贴在压电悬臂梁15上的压电元件11产生，压电悬臂梁15自由端可动部分(即自由端及其连接的两质量块3,7)的质心在无重力状态下与旋转中心重合，最大限度地消除离心力对俘能器中压电悬臂梁15振动的抑制作用；俘能器转动过程中，压电悬臂梁15的所受合力周期性变化，产生振动，获得电荷输出。

本实施例中的俘能器的矩形镂空壳体5既起到保护悬臂梁的作用，同时起到阻挡块的作用，限制悬臂梁质量块3,7的振动范围，保证悬臂梁在旋转过程中处于振动状态。

为了进一步说明本方案的实现原理和有益效果，对该系统进行受力分析，可得该系统的运动方程为：

$m\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2}+c\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+(k-m{\mathrm{\ω}}^2)u=\mathrm{mg}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right),$

其中m表示悬臂梁可动部分的质量，u表示悬臂梁可动部分的质心与旋转中心之间的距离，t表示时间，c表示系统的阻尼，k表示系统的刚度，ω表示匀速旋转运动的角速度，g表示重力加速度。

本发明中，压电悬臂梁15的固有频率可按下式进行计算：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{E_b{\mathrm{wt}}^3[(\mathrm{\η}-1){\mathrm{\κ}}_p^3-3(\mathrm{\η}-1){\mathrm{\κ}}_p^2+3(\mathrm{\η}-1){\mathrm{\κ}}_p+1]}{{4L}^3(m_t+0.24m_b)}},$

其中，ω_n表示压电悬臂梁15的固有频率，E_b表示悬臂梁基体层的杨氏模量，w表示梁宽，t表示压电悬臂梁15厚度(包括基体层和两压电层)，η＝E_p/E_b表示压电层与基体层轴向杨氏模量的比值，表示两压电层与压电悬臂梁15厚度之间的比值，L表示梁长，m_t表示自由端质量块质量，m_b表示基体层质量。

上述实施例中，当底座转动频率在7Hz～13.5Hz范围内变化时，本方案的俘能器输出83.5μW～825μW，足以满足部分监测系统电能需要。

本实施例的有益效果如下：

1、压电悬臂梁的可动部分(即自由端及其连接的两质量块3,7)的质心位于圆盘底座1的旋转轴上，最大程度的减小质心在转动过程中的离心力，减小因大离心力引起的悬臂梁刚度增强，振动幅度减小的问题。

2、压电悬臂梁的可动部分(即自由端及其连接的两质量块3,7)的质心位于圆盘底座1的旋转轴上，使得离心力的方向基本沿着悬臂梁平面的法向方向，而不是现有技术中的径向方向，令离心力和重力的合力成为一个周期性的方向交替变换的力，该合力作用在悬臂梁平面的法向方向，使得悬臂梁周期性振动；

3、通过矩形镂空壳体两侧壁的阻挡作用，限制质量块的最大离心距离，从而限制质量块的最大离心力，使其小于质量块所受重力，避免质量块在转动过程中由于离心力作用与其中的壳体某部位一直接触，无振动产生；限制距离d需满足公式其中，g表示重力加速度，ω表示旋转角速度。还能够限制质量块的最大离心距离，避免因离心距离过大造成悬臂梁的过大形变而损坏。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：包括底座、壳体、压电悬臂梁和收集电路板，所述壳体固定设置在底座上，所述壳体为矩形镂空壳体，所述矩形镂空壳体一侧开设有夹缝开口，夹缝开口两侧各向外延伸有一定位片，所述压电悬臂梁包括一铝合金基板以及设置在铝合金基板两侧的压电单元，所述铝合金基板一端夹设在夹缝开口及两定位片内并与两定位片固定连接，实现压电悬臂梁与壳体的固定，铝合金基板自由端两侧固定连接两质量块，铝合金基板的自由端及其连接的两质量块位于底座的旋转轴上，实现整个压电悬臂梁可动部分的质心位于旋转轴上，所述收集电路板固定在壳体的一侧壁外表面，并通过两独立导线与压电单元两端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：两定位片以及铝合金基板上相对设有螺孔，通过螺栓穿过螺孔并与螺母固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述铝合金基板和压电单元之间通过绝缘粘合层粘合而成。

4.根据权利要求1所述的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述矩形镂空壳体短边两侧底部分别延伸出安装板，每一所述安装板上设有两安装孔，通过螺钉穿过该安装孔与底座固定，实现安装板与底座的固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述矩形镂空壳体的长边两侧中间位置的底部分别向外延伸出安装台，每一所述安装台上设有一安装孔，通过螺钉穿过该安装孔与底座固定，实现安装台与底座的固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种旋转式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述安装台与矩形镂空壳体的长边两侧中间位置的顶部还设有直角连接板。