CN104485841B - 一种基于伸缩式压电振子的横振发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于伸缩式压电振子的横振发电机，属于发电技术领域。壳体筒壁端部经螺钉装有端盖，壳体底壁及端盖上分别均布地设有数量相同的偶数个安装孔，长销两端安装在所述安装孔内，长销上套有长销套，长销套上铆接有带圆弧凸起的金属片，金属片与其圆弧凸起处所粘接的压电片构成压电振子，金属片另一端铆接有短销套；质量块的上壁及下壁上分别设有销孔和螺纹孔；短销通过销孔及螺纹孔安装在质量块上，短销套通过和短销铰接安装在质量块上，质量块的上壁和下壁端面分别镶嵌有滚珠。特色与优势：伸缩式压电振子与壳体及质量块铰接、且其伸缩变形相互制约，具有可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强等优势。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种基于伸缩式压电振子的横振发电机，为微功率电子产品及无线传感监测系统等提供实时的能量供应。
背景技术
利用压电陶瓷材料回收环境振动能量构造的微小型发电机被认为是便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统实时自供电的有效手段。虽然某些类型的振动式压电发电机已经在现实中获得应用，但其振动环境的适应能力、可靠性及能量转换效率等方面还有较大的局限性，不利于压电振动发电技术的进一步推广应用。对于振动式压电发电机而言，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较高，通常为几百、甚至几千赫兹，而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹，因此利用单一的压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为此，需在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振了中心处安装集中质量块，其弊端是：当所安装的惯性块较大时，即使在非工作状态时上述各类薄片型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；同时，现有的薄片型压电振子变形时压电晶片承受交替变换的压应力和拉应力，环境振动强度过大时压电晶片会因拉应力过大破碎、且因应力分布不均匀而使发电能力降低；此外，现有的压电发电机大都仅适于纵振能量回收，而现实中非结构环境下的很多横向振源具有低频、多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性，比如：运行中的火车车厢振动主要由速度变化引起的前后振动及车体左右摇晃等，上述两种振动之间存在耦合与叠加效果、且振动频率极低，因此现有的纵振式压电发电机的在频率、振动方向及可靠性等方面都无法满足使用要求。
发明内容
本发明提供一种基于伸缩式压电振子的横振发电机，以解决现有压电振动发电机在频率、可靠性、振动方向及发电能量等方面的局限性。本发明采用的实施方案是：壳体筒壁端部通过螺钉固定有端盖，壳体底壁及端盖上分别均布地设有数量相同的偶数个安装孔；长销的两端分别安装在壳体底壁及端盖上的安装孔内，长销上套有长销套，长销套与带圆弧凸起的S型金属片的一端铆接，金属片与其圆弧凸起处所粘接的压电片构成压电振子，金属片的另一端铆接有短销套；压电振子与其两端所铆接的长销套和短销套构成换能器；工字型质量块的上壁上均布地设有销孔、下壁上均布地设有螺纹孔，销孔、螺纹孔及壳体底壁上安装孔的数量相同；短销通过销孔及螺纹孔安装在质量块上，换能器上的短销套通过和短销铰接安装在质量块上，质量块上壁和下壁端面分别镶嵌有滚珠，滚珠与壳体底壁或端盖的表面滚动接触。
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，应满足：压电振子不受外力作用时金属的圆弧外表面最小半径为以壳体中心为对称点安装的两个压电振子中，一个压电振子上的圆弧在沿壳体径向方向被拉直时另一个压电振子处于不受外力作用的自然状态，壳体底壁上安装孔中心所在圆周的直径为上式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为质量块上螺纹孔及销孔中心所在圆周的直径，L1为自然状态下换能器两端长销套与短销套间的中心距，L2为金属片的圆弧弦长，n为单个压电振子上的圆弧数量。
自然状态下，质量块在各换能器的作用下处于平衡状态；当壳体在水平面内作任意方向的往复振动时，质量块与壳体都会产生相对运动，质量块的惯性力使得各换能器中的压电振子分别沿其长度方向伸长或缩短；对于以壳体中心为对称点安装的两个压电振子，其中一个压电振子上的圆弧被拉直时另一个压电振子处于不受外力作用的自然状态，从而确保压电振子上金属片的圆弧外表面最小半径大于所允许的最小值；当壳体振动使质量块产生相对移动时，所有各压电振子都不同程度地伸长或缩短，从而使压电片的应力交替变化、并将机械能转换成电能。
特色及优势：①伸缩式压电振子通过长销及长销套与壳体铰接安装、通过短销及短销套与质量块铰接安装，可实现水平面内任意方向的振动能量回收、且不受弯矩作用；②以壳体中心为对称点安装的两个压电振子的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用、且应力分布均匀；③质量块重力由壳体底壁承受，易于通过增加质量块质量降低系统固有频率。因此，本发明具有可靠性高、低频特性好、发电及方向适应能力强，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的横向振动能量回收。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是图1的A-A视图；
图3是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是质量块的结构示意图；
具体实施方式：
壳体1的筒壁1b的端部通过螺钉固定有端盖8，壳体1的底壁1a及端盖8上分别均布地设有数量相同的偶数个安装孔，长销2的两端分别安装在壳体1的底壁1a及端盖8上的安装孔内；长销2上套有长销套3，长销套3和长销2之间铰接安装，长销套3与带圆弧凸起的S型金属片h1的一端铆接，金属片h1与其圆弧凸起处所粘接的压电片h2构成压电振子h，压电振子h上的金属片h1的另一端铆接有短销套4，压电振于h与其两端所铆接的长销套3和短销套4构成换能器H；工字型质量块5的上壁5b上均布地设有销孔5d、下壁5a上均布地设有螺纹孔5c，所述销孔5d、螺纹孔5c及壳体1的底壁1a上安装孔的数量相同；短销7通过销孔5d及螺纹孔5c安装在质量块5上，换能器H上的短销套4通过和短销7铰接安装在质量块5上，质量块5的上壁5b和下壁5a端面分别镶嵌有滚珠6，滚珠6与壳体1的底壁1a或端盖8的表面滚动接触。
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，应满足下列条件：①压电振子h不受外力作用时金属片h1的圆弧外表面最小半径为②以壳体1中心为对称点安装的两个压电振子h中，一个压电振子h上的圆弧在沿壳体1径向方向被拉直时另一个压电振子h处于不受外力作用的自然状态，如第I压电振子h上的圆弧段被拉直时第II压电振子h处于不受外力的自然状态，此时壳体1的底壁1a上安装孔中心所在圆周的直径为上述两个公式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片h2和金属片h1的厚度，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为质量块5上螺纹孔5c及销孔5d中心所在圆周的直径，L1为换能器H两端长销套3与短销套4间的中心距，L2为金属片h1上的圆弧弦长，n为单个压电振子h上的圆弧数量。
发电机非工作的自然状态下，质量块5在各换能器H的作用下处于平衡状态；当壳体1在水平面内作任意方向的往复振动时，质量块5与壳体1都会产生相对运动，质量块5的惯性力使得各换能器H中的压电振子h分别沿其长度方向伸长或缩短；对于以壳体1中心为对称点安装的两个压电振子h，如第I和第II压电振子h，其中一个压电振子h上的圆弧被拉直时另一个压电振子h处于不受外力作用的自然状态，从而确保压电振子h上金属片h1的圆弧外表面最小半径大于所允许的最小值；当壳体1振动使质量块5产生相对移动时，所有各压电振子h都不同程度地伸长或缩短，从而使压电片h2的应力交替变化、并将机械能转换成电能。
本发明中，伸缩式压电振子h通过长销2及长销套3与壳体1铰接安装、通过短销7及短销套4与质量块5铰接安装，可实现水平面内任意方向的振动能量回收；以壳体1中心为对称点安装的两个压电振子h的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用、且应力分布均匀；质量块5的重力由壳体1的底壁1a承受，易于通过增加质量块5质量降低系统固有频率。因此，本发明优势显著：可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的能量回收。
Claims (1)
1.一种基于伸缩式压电振子的横振发电机，其特征在于：壳体筒壁端部通过螺钉固定有端盖，壳体底壁及端盖上分别均布地设有数量相同的偶数个安装孔；长销的两端分别安装在壳体底壁及端盖上的安装孔内，长销上套有长销套，长销套与带圆弧凸起金属片的一端铆接，金属片与其圆弧凸起处所粘接的压电片构成压电振子，金属片的另一端铆接有短销套；压电振子与其两端所铆接的长销套和短销套构成换能器；工字型质量块的上壁上均布地设有销孔、下壁上均布地设有螺纹孔，销孔、螺纹孔及壳体底壁上安装孔的数量相同；短销通过销孔及螺纹孔安装在质量块上，换能器上的短销套通过和短销铰接安装在质量块上，质量块上壁和下壁端面分别镶嵌有滚珠，滚珠与壳体底壁或端盖的表面滚动接触；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，压电振子不受外力作用时金属圆弧外表面最小半径应为壳体底壁上安装孔中心所在圆周的直径应为式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L1为自然状态下换能器两端长销套与短销套间的中心距，L2为金属片的圆弧弦长，L3为质量块上螺纹孔及销孔中心所在圆周的直径，n为单个压电振子上的圆弧数量。
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