CN104485840A - 一种高性能压电纵振俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能压电纵振俘能器，属于新能源技术领域。支架台板与盖板的止口环间经螺钉装有外筒，支架台板与盖板的沉孔间压有内筒；两质量块、磁环和螺母共同构成惯性块，惯性块套在内筒内并经弹簧与支架台板相连；两片在其圆弧凸起段粘接有压电片的金属片铆接后构成压电振子，压电振子与其两端所铆接的楔形块和磁块构成换能器；两组换能器楔形块安装在外筒内壁上的燕尾槽中、磁块的导柱分别置于内筒侧壁上的两组径向通孔内；磁块与磁环的异性磁极靠近安装。特色与优势：压电片仅承受压应力，压电振子变形与振动方向垂直、且与惯性块质量无直接关系，换能器与惯性块-弹簧系统所构成两自由度系统，故可靠性高、固有频率低、有效频带宽。

Description

一种高性能压电纵振俘能器

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种高性能压电纵振俘能器，用于低频、大振幅、高强度的纵向振动能量回收。

背景技术

为满足微功率电子产品及微小型远程传感及埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、静电、热电、电容及压电等原理的微小型发电装置的研究已经成为国内外的前沿热点。各类发电装置都有其自身的优势和适用领域，压电式振动发电装置的优势在于结构简单、易于制作和实现结构上的微小化与集成化等，故适用范围更广，现已逐步用于传感器、健康监测及无线发射系统等领域。

在利用压电材料回收环境能量发电方面，国内外均有较多专利申请，其中绝大多数都是以振动能量回收为使用目的的。众所周知，对于振动式压电发电机，仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时方能达到较高的发电能力和能量转换效率。但因压电振子自身的谐振频率通常较高，其中压电悬臂梁的谐振频率达几百赫兹、圆形压电振子的谐振频率高达几千赫兹，而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是直接在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中质量块，其弊端是当所安装的质量块较大时，即使在非工作状态时压电振子就已产生较大变形，工作中极易因变形过大而损毁。其原因在于压电陶瓷材料质地很脆、可承受的形变能力极其有限，即使是较长的悬臂梁压电振子其安全变形量也仅为毫米级。在现实生活中，常规的环境振动主要是由各类交通工具运行、人体运动而诱发的，此类振动兼具低频和大振幅的双重特性，其中汽车、自行车等交通工具的纵向振动幅值有时可达几厘米、甚至十几厘米。可见，现有的便携式振动发电装置难以在实际中获得更广泛的应用。

发明内容

针对现有压电振动发电装置可靠性低、低频环境适应性差等局限性，本发明提供一种高性能压电纵振俘能器，用于各类交通工具颠簸及人体运动等常规环境下的低频、大振幅、及高强度振动能量回收。本发明采用的实施方案是：支架的台板周边和中心处分别设有止口环和沉孔，盖板的周边和中心处分别设有止口环和沉孔；支架台板上的止口环与盖板上的止口环之间通过螺钉安装有外筒，支架台板上的沉孔与盖板上的沉孔之间压接有内筒；外筒内壁上均布地设有轴向的燕尾槽，内筒侧壁上均布地设有上下两组径向通孔；质量块一和磁环依次套在质量块二的立柱上并通过螺母锁紧，质量块一、质量块二、磁环和螺母共同构成惯性块；惯性块套在内筒的内孔中，惯性块通过弹簧与支架台板相连接；磁环高度小于内筒侧壁上两组径向通孔间的轴向距离，且非工作时磁环到所述两组通孔中心的距离相等；两片在其圆弧凸起段粘接有压电片的金属片经铆钉铆接后构成压电振子，压电振子与其两端所铆接的楔形块和磁块共同构成换能器，楔形块的高度大于磁块的高度，磁块上设有导柱；两组换能器的楔形块依次安装在外筒内壁上的燕尾槽中、并通过盖板压在支架的台板上，所述两组换能器上磁块的导柱分别置于内筒侧壁上的两组径向通孔内；换能器上磁块与惯性块上磁环的异性磁极靠近安装。

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，换能器未装配时金属片上圆弧外表面的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在非工作的自然状态下，惯性块在弹簧的作用下处于平衡状态，磁环两组换能器上磁块的距离相等，因磁块与磁环的异性磁极靠近安装，故两组换能器中压电振子均处于受拉状态、且所承拉力相等；当俘能器受环境中纵向振动激励时，惯性块沿内筒内孔上下往复振动，致使换能器端部磁块与惯性块上磁环间的距离发生变化：当惯性块向上运动时，磁环与I组换能器上磁块间的距离减小、与II组换能器上磁块间的距离增加，从而使I组换能器中的压电振子所受拉力增加、II组换能器中的压电振子所受拉力减小；同理，当惯性块向下运动时，I组换能器中的压电振子所受拉力减小、II组换能器中的压电振子所受拉力增加；随着惯性块连续地上下往复运动，压电振子将处于交替的拉伸与收缩变形状态，从而将机械能转换成电能。

本发明中，由于压电振子为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片不受外力作用，装机后非工作时压电振子受拉力作用，故压电晶片承受压应力；当惯性块上下振动使磁环接近磁块时压电片所受压应力增加、磁环远离磁块时压电片所受压应力减小，故压电片始终不会承受拉应力，又因纵向振动与压电振子的变形方向垂直、振动强度对压电振子变形量无直接影响，故俘能器可靠性高。

本发明中，压电振子所受拉力及压电片所受压应力取决于惯性块的振动特性，故可通过增加惯性块的质量和降低弹簧刚度的方法降低惯性块与弹簧所构成系统的固有频率，从而实现低频振动能量回收；此外，因惯性块与弹簧所构成系统的固有频率与换能器的固有频率不同，故将存在两个最佳频率段使发电能力最强，即本发明的俘能器实为两自由度系统、有效频带宽。

本发明的特点及优势在于：①利用预弯型压电振子长度方向的伸缩变形发电，工作中压电片始终承受压应力、不至因受压应力过大而损毁，且压电振子伸缩变形方向与环境振动方向垂直、也不致因环境纵向振幅过大而损毁，故俘能器可靠性高；②惯性块的重力作用在弹簧上，其质量大小对压电振子的振动特性无直接影响，可采用较大质量惯性块和低刚度弹簧降低发电装置的固有频率、实现低频振动能量回收；③换能器与惯性块-弹簧系统所构成的是两自由度系统，有效频带宽。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构示意图；

图4是图3的俯视图剖面图；

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，支架1的台板1a上表面的周边和中心处分别设有止口环和沉孔，盖板3下表面的周边和中心处分别设有止口环和沉孔；支架1的台板1a上表面周边的止口环与盖板3下表面周边的止口环之间通过螺钉安装有外筒2，支架1的台板1a上表面的沉孔与盖板3的下表面的沉孔之间压接有内筒6；外筒2内壁上均布地设有轴向的燕尾槽，内筒6侧壁上均布地设有上下两组径向通孔6b；质量块一8和磁环9依次套在质量块二10的立柱10a上并通过螺母7锁紧，质量块一8、质量块二10、磁环9和螺母7共同构成惯性块G；惯性块G套在内筒6的内孔6a中，惯性块G通过弹簧11与支架1的台板1a相连接；磁环9的高度小于内筒6侧壁上两组径向通孔6b间的轴向距离，且非工作时磁环9到所述两组通孔6b中心的距离相等；两片在其圆弧凸起段粘接有压电片h2的金属片h1经铆钉h3铆接后构成压电振子h，压电振子h与其两端所铆接的楔形块4和磁块5共同构成换能器H，楔形块4的高度大于磁块5的高度，磁块5上设有导柱5a；两组换能器H的楔形块4依次安装在外筒2内壁上的燕尾槽中、并通过盖板3压在支架1的台板1a上，所述两组换能器H上磁块5的导柱5a分别置于内筒6侧壁上的两组径向通孔6b内；换能器H上磁块5与惯性块G上磁环9的异性磁极靠近安装；

为使压电振子h最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片h2因拉应力过大而损坏，换能器H未装配时金属片h1上圆弧外表面的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在非工作的自然状态下，惯性块G在弹簧11的作用下处于平衡状态，磁环9距离I组及II组换能器H上的磁块5的距离相等，由于磁块5与磁环9的异性磁极靠近安装，故两组换能器H中压电振子h均处于受拉状态、且所承拉力相等；当俘能器受环境中纵向振动激励时，惯性块G沿内筒6内孔6b上下往复振动，致使换能器H端部的磁块5与惯性块G上的磁环9之间的距离发生变化：当惯性块G向上运动时，磁环9与I组换能器H上的磁块5间的距离减小、与II组换能器H上的磁块5间的距离增加，从而使I组换能器H中的压电振子h所受拉力增加、II组换能器H中的压电振子h所受拉力减小；同理，当惯性块G向下运动时，I组换能器H中的压电振子h所受拉力减小、II组换能器H中的压电振子h所受拉力增加；随着惯性块G连续地上下往复运动，压电振子h将处于交替的拉伸与收缩变形状态，从而将机械能转换成电能。

本发明中，由于压电振子h为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片h2不受外力作用，装机后非工作时压电振子h受拉力作用，故压电晶片h2承受压应力；当惯性块G上下振动使磁环9接近磁块5时压电片h2所受压应力增加、磁环9远离磁块5时压电片h2所受压应力减小，故压电片h2始终不会承受拉应力，又因纵向振动与压电振子h的变形方向垂直、振动强度对压电振子h变形量无直接影响，故俘能器可靠性高。

本发明中压电振子h所受拉力及压电片h2所受压应力取决于惯性块G的振动特性，故可通过增加惯性块G的质量和降低弹簧11刚度的方法降低惯性块G与弹簧11所构成系统的固有频率，从而实现低频振动能量回收；此外，因惯性块G与弹簧11所构成系统的固有频率与换能器H的固有频率不同，故将存在两个最佳频率段使发电能力最强，即本发明的俘能器实为两自由度系统、有效频带宽。

Claims (1)

1.一种高性能压电纵振俘能器，其特征在于：支架的台板周边和中心处分别设有止口环和沉孔，盖板的周边和中心处分别设有止口环和沉孔；支架台板上的止口环与盖板上的止口环之间通过螺钉安装有外筒，支架台板上的沉孔与盖板上的沉孔之间压接有内筒；外筒内壁上均布地设有轴向的燕尾槽，内筒侧壁上均布地设有上下两组径向通孔；质量块一和磁环依次套在质量块二的立柱上并通过螺母锁紧，质量块一、质量块二、磁环和螺母共同构成惯性块；惯性块套在内筒的内孔中，惯性块通过弹簧与支架台板相连接；磁环高度小于内筒侧壁上两组径向通孔间的轴向距离，且非工作时磁环到所述两组通孔中心的距离相等；两片在其圆弧凸起段粘接有压电片的金属片经铆钉铆接后构成压电振子，压电振子与其两端所铆接的楔形块和磁块共同构成换能器，楔形块的高度大于磁块的高度，磁块上设有导柱；两组换能器的楔形块依次安装在外筒内壁上的燕尾槽中、并通过盖板压在支架的台板上，所述两组换能器上磁块的导柱分别置于内筒侧壁上的两组径向通孔内；换能器上磁块与惯性块上磁环的异性磁极靠近安装；

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，换能器未装配时金属片上圆弧外表面的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。