CN104485847B - 一种压电振动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电振动发电机，属于发电领域。框架的上下壁板上装有挂架，磁块与其两端挂架构成链节，挂架侧耳上铆有销钉；换能器由压电振子与两销套构成，压电振子由金属与压电膜粘接而成；俘能单元I中换能器上下端销套分别装在上壁板挂架及链节上端挂架上、II中换能器上下端销套分别装在链节下端挂架及下壁板挂架上；支架法兰装在下壁板上，支架摆杆上装有导柱并由螺母锁紧，导柱上套带磁环的质量块，质量块与螺母间设有碟簧，磁环与磁块同性磁极靠近安装；特色与优势：两组伸缩式压电振子经铰链与框架及链节连接且变形相互制约，激励磁环带有可调质量且可任意方向运动，故可靠性高、低频特性好、发电能力强、振动方向适应能力强。

Description

一种压电振动发电机

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种压电振动发电机，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子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；压电振子弯曲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。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包括轨道接头引起的纵向振动、速度变化引起的前后振动、风及运行方向变化引起的车体左右摇晃等，上述各种振动之间存在耦合与叠加效果、且振动频率极低，因此现有的压电振动发电机在低频性、振动方向适应性、可靠性及发电能力等方面都有待进一步提高。

发明内容

本发明提供一种压电振动发电机，以解决现有振动式压电发电机可靠性低、环境适应能力差及发电能力弱等弊端。本发明采用的实施方案是：框架由上壁板及下壁板与立柱焊接而成，上下壁板上分别通过螺钉安装有数量相等的挂架；磁块上下两端分别通过螺钉安装有挂架，磁块与其上下两端所安装的挂架构成链节；所述各挂架侧耳上的销孔中均铆接有销钉；换能器由压电振子与其两端所铆接的销套构成，压电振子由带有圆弧凸起的S型金属膜与其圆弧凸起处所粘接的压电膜构成；俘能单元I中各换能器上端的销套通过销钉装在上壁板挂架的侧耳上、下端的销套通过销钉装在链节上端挂架的侧耳上；俘能单元II中换能器下端的销套通过销钉装在下壁板挂架的侧耳上、上端的销套通过销钉装在链节下端挂架的侧耳上；支架的端部法兰通过螺钉装在下壁板上，支架的弹性摆杆自由端通过螺纹装有导柱，导柱上下两端分别由背紧螺母锁紧，导柱上套有质量块，质量块与两背紧螺母间均设有碟簧，质量块上镶嵌有磁环，磁环与磁块的同性磁极靠近安装、且其对称中心处于同一水平面上。

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电膜因拉应力过大而损坏，俘能单元I中压电振子上的圆弧段在垂直方向被拉直时，俘能单元II中压电振子处于不受外力的自然状态，故上下壁板挂架侧耳上销孔的中心距为 $L=2L1+L3+n[2R\arcsin \left(\frac{L2}{2R}\right)-L2],$ 压电振子不受外力作用时金属膜上圆弧外表面的最小半径为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中：α＝h_m/(h_m+h_p)，h_p和h_m分别为压电膜和金属膜厚度， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电膜和金属膜的杨氏模量，T_p分别为压电材料机电耦合系数和许用拉应力，L1为换能器上两销套孔的中心距，L2为金属膜上的圆弧弦长，L3为链节上下两端挂架侧耳上的销孔中心距，n为单个压电振子上的圆弧数量。

发电机非工作的自然状态下，磁环及质量块在两个碟簧作用下处于平衡状态，链节在其上磁块与磁环的作用下处于平衡状态；当框架受空间任意方向的往复激励时，磁环及质量块都与框架产生相对运动，从而改变磁环与链节上磁块间的距离和相互作用力，使俘能单元I及II中压电振子分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架垂直向上振动时，俘能单元I中的压电振子受拉伸长、单元II中的压电振子在自身弹性力作用下缩短；框架沿水平方向振动时，磁环及质量块的惯性力迫使弹性摆杆产生弯曲变形，从而通过磁环与磁块间的磁力作用使两俘能单元I和II中的压电振子h同时伸长或缩短，等等；在上述压电振子伸长与缩短的过程中，压电膜所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。

特色及优势：伸缩式压电振子通过销轴及销套与框架及带磁块的链节相连，磁环套在支架弹性摆杆上并通过碟簧夹持，故可实现空间任意方向的振动能量回收；俘能单元I和II中压电振子的压缩量受伸长量制约，具有限位和保护作用、且应力分布均匀；可通过增加质量块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。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

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本发明一个较佳实施例中挂架的结构示意图；

图5本发明一个较佳实施例中链节的结构示意图；

具体实施方式：

框架1由上壁板1b及下壁板1a与立柱1c焊接而成，上壁板1b及下壁板1a上分别通过螺钉安装有数量相等的挂架2；磁块8的上下两端分别通过螺钉安装有挂架2，磁块8与其上下两端所安装的挂架2构成链节J；所述各挂架2的侧耳2a的销孔中均铆接有销钉3；换能器H由压电振子h与其两端所铆接的销套4构成，压电振子h由带有圆弧凸起的S型金属膜h1与其圆弧凸起处所粘接的压电膜h2构成；俘能单元I中各换能器H上端的销套4通过销钉3安装在上壁板1b的挂架2的侧耳2a上、下端的销套4通过销钉3安装在链节J上端挂架2的侧耳2a上；俘能单元II中换能器H下端的销套4通过销钉3安装在下壁板1a的挂架2的侧耳2a上、上端的销套4通过销钉3安装在链节J下端挂架2的侧耳2a上；支架5的端部法兰5a通过螺钉安装在下壁板1a上，支架5的弹性摆杆5b的自由端通过螺纹安装有导柱11，导柱11的上下两端分别由背紧螺母6锁紧，导柱11上套有质量块10，质量块10与两背紧螺母6间均设有碟簧7，质量块10上镶嵌有磁环9；磁环9与磁块8的同性磁极靠近安装、且其对称中心处于同一水平面上。

为使压电振子h最大限度地利用振动能量发电、并避免压电膜h2因拉应力过大而损坏，俘能单元I中压电振子h上的圆弧段在垂直方向被拉直时，俘能单元II中压电振子h处于不受外力的自然状态，故上壁板1b与下壁板1a上的挂架2的侧耳2a上销孔间的中心距为 $L=2L1+L3+n[2R\arcsin \left(\frac{L2}{2R}\right)-L2],$ 压电振子h不受外力作用时金属膜h1的圆弧外表面最小半径为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中：α＝h_m/(h_m+h_p)，h_p和h_m分别为压电膜h2和金属膜h1的厚度， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电膜h2和金属膜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，L1为换能器H上两销套4的中心距，L2为金属膜h1上的圆弧弦长，L3为链节J上下两端挂架2的侧耳2a上的销孔中心距，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，磁环9及质量块10在两个碟簧7的作用下处于平衡状态，链节J在其上磁块8与磁环9的作用下处于平衡状态；当框架1受空间任意方向的往复激励时，磁环9及质量块10都与框架1产生相对运动，从而改变磁环9与链节J上磁块8间的距离和相互作用力，使俘能单元I及II中压电振子h分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架1垂直向上振动时，单元I中的压电振子h受拉伸长、单元II中的压电振子h在自身弹性力作用下缩短；框架1沿水平方向振动时，磁环9及质量块10的惯性力迫使弹性摆杆5b产生弯曲变形，从而通过磁环9与磁块8间的磁力作用使两俘能单元I和II中的压电振子h同时伸长或缩短，等等；在上述压电振子h的伸长与缩短的过程中，压电膜h2所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。

本发明中，伸缩式压电振子h通过销轴3及销套4与框架1及带有磁块8的链节J相连，磁环9套在支架5的弹性摆杆5b端部可滑动的质量块10上并通过碟簧7夹持，故可实现空间任意方向的振动能量回收；俘能单元I和II中压电振子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；此外，还可通过增加质量块10的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)

1.一种压电振动发电机，其特征在于：框架由上壁板及下壁板与立柱焊接而成，上下壁板上分别通过螺钉安装有数量相等的挂架；磁块上下两端分别经螺钉安装有挂架，磁块与其上下两端所安装的挂架构成链节；所述各挂架侧耳上的销孔中均铆有销钉；换能器由压电振子与其两端所铆接的销套构成，压电振子由带圆弧凸起金属膜与其圆弧凸起处所粘接的压电膜构成；俘能单元I中各换能器上端的销套通过销钉装在上壁板挂架的侧耳上、下端的销套通过销钉装在链节上端挂架的侧耳上；俘能单元II中换能器下端的销套通过销钉装在下壁板挂架的侧耳上、上端的销套通过销钉装在链节下端挂架的侧耳上；支架的端部法兰通过螺钉装在下壁板上，支架的弹性摆杆自由端经螺纹装有导柱，导柱上下两端分别由背紧螺母锁紧，导柱上套有质量块，质量块与两背紧螺母间均设有碟簧，质量块上镶嵌有磁环，磁环与磁块的同性磁极靠近安装且其对称中心处于同一水平面上；

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电膜因拉应力过大而损坏，俘能单元I中压电振子上的圆弧段在垂直方向被拉直时，俘能单元II中压电振子处于不受外力的自然状态，故上下壁板挂架侧耳上销孔的中心距为 $L=2L1+L3+n[2R\arcsin \left(\frac{L2}{2R}\right)-L2],$ 压电振子不受外力作用时金属膜上圆弧外表面的最小半径为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中：α＝h_m/(h_m+h_p)，h_p和h_m分别为压电膜和金属膜厚度， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电膜和金属膜的杨氏模量，T_p分别为压电材料机电耦合系数和许用拉应力，L1为换能器H上两销套孔的中心距，L2为金属膜上的圆弧弦长，L3为链节上下两端挂架侧耳上的销孔中心距，n为单个压电振子上的圆弧数量。