CN104485851A - 一种拉压式振动俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉压式振动俘能器，属于新能源和发电技术领域。挂架上壁经螺钉固定在振动主体上，挂架上壁上固定有拉簧，拉簧套在挂架内腔中，拉簧下端固定在盖板上，盖板与挂架筒壁端面相接触；盖板经螺钉固定在壳体筒壁端部，惯性块套在壳体内腔中；两个在其圆弧段粘接有压电片的金属片经铆钉相互铆接后构成压电振子，压电振子与其两端所铆接的支座共同构成换能器；惯性块上下两侧分别通过螺钉与两换能器的支座相连接，惯性块上方的换能器的另一支座通过螺钉固定在盖板上，惯性块下方的换能器的另一支座通过螺钉固定在壳体底壁上。优点在于：可靠性高、适于低频及大振幅的振动环境，可实现纵向及任一水平方向的振动能量回收、有效频带宽。

Description

一种拉压式振动俘能器

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种拉压式振动俘能器。

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俘能器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。虽然某些类型压电俘能器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，不利于压电振动俘能技术的进一步推广应用。对于振动式压电俘能器而言，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惯性块，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，现实中非结构环境下的振源具有多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性，以行进中的汽车为例，其振源包括道路不平引起的纵向振动、速度变化引起的前后振动、运行方向漂移引起横向振动等，且上述各个振源之间存在振动耦合与叠加效果，其实际的振动方向并不确定。显然，现有的压电振动俘能器的可靠性及环境适应能力都有待于进一步提升。

发明内容

本发明提供一种拉压式振动俘能器，以解决现有振动式压电俘能器可靠性低、环境适应能力差等弊端。本发明采用的实施方案是：挂架的上壁经螺钉固定在振动主体上，挂架上壁上固定有拉簧，拉簧套在挂架的内腔中，拉簧下端固定在盖板上，盖板与挂架的筒壁端面相接触；盖板经螺钉固定在壳体的筒壁端部，惯性块套在壳体的内腔中；两个在其圆弧段粘接有压电片的金属片经铆钉相互铆接后构成压电振子，压电振子与其两端经铆钉铆接的支座共同构成换能器；惯性块的上下两侧分别通过螺钉与两个换能器上的支座相连接，置于惯性块上方的换能器的另一支座通过螺钉固定在盖板上，置于惯性块下方的换能器的另一支座通过螺钉固定在壳体底壁上。

为使压电振子能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，俘能器的结构应满足下列条件：①压电振子不受外力作用时金属片上圆弧外表面的最小半径为 $R=h_0\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ ②一个换能器上压电振子的圆弧段被拉直时另一个换能器上压电振子处于不受外力的自然状态，壳体内腔高度为式中α＝h_m/h₀，h₀＝h_m+h_p，h_p和h_m分别为压电片和金属片厚度，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，和T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L_m为惯性块的高度，L_h为换能器的高度，l为金属片上圆弧的弦长，n为单个压电振子h上的圆弧数量。

本发明中弹簧的功能有两方面，一是使壳体与振动结构间呈弹性连接，形成两自由度振动系统，从而增加俘能器的有效带宽；另一功能是使壳体相对挂架作任一水平方向上的相对摆动，从而实现水平方向上的振动能量回收。因此，本发明的特色之一是：可在较宽的频带范围内收集纵振及任意水平方向的振动能量。

自然状态下，惯性块在上下两个压电振子作用下处于平衡位置；当振动主体作单纯的上下往复振动时，不管壳体与挂架间是否产生相对振动，惯性块与壳体都会发生相对运动，惯性块的惯性力使得其上下两侧的压电振子分别沿长度方向受拉或受压；当振动主体作任一水平方向的往复振动时，因弹簧的拉伸作用，壳体、惯性块及换能器的惯性力将使壳体在水平方向上产生相对挂架的往复振荡，此时惯性块的惯性力依然迫使压电振子产生沿其长度方向上的压缩或拉伸变形；在上述压电振子的拉伸与压缩变形过程中，压电片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，壳体内腔高度大于两个换能器及惯性块的高度之和，且当一个压电振子的圆弧段被拉直时另一压电振子不被压缩，即两个压电振子的运动及变形量相互制约、具有限位和保护作用，从而使压电片只承受压应力作用、提高了可靠性；此外，还可通过增加惯性块质量降低系统固有频率。因此，本发明的俘能器的又一特色是：具有较高的可靠性和较好的低频特性，可实现高强度、大振幅及低频振动能量回收。

本发明的特点及优势在于：①两个压电振子相互间的拉伸及压缩变形相制约，压电片仅受压应力作用，具有较高的可靠性和较好的低频特性，可实现高强度、大振幅及低频振动能量回收；②壳体经拉簧固定在振动主体上，构成多自由度柔性系统，可实现纵向及任一水平方向的振动能量回收、且有效频带宽。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器静止时的结构剖面示意图；

图2是图1左视剖面图；

图3是本发明一个较佳实施例中上下纵振时俘能器的结构剖面示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中左右横振时俘能器的结构剖面示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中换能器的结构剖面示意图；

具体实施方式

如图1～图5所示，挂架1的上壁11经螺钉固定在振动主体上，挂架1的上壁11上固定有拉簧2，拉簧2套在挂架1的内腔13中，拉簧2下端固定在盖板3上，盖板3与挂架1的筒壁12的端面相接触；盖板3经螺钉固定在壳体4的筒壁41的端部，惯性块5套在壳体4的内腔中；两个在其圆弧段粘接有压电片h2的金属片h1经铆钉h3相互铆接构成压电振子h，压电振子h与其两端经铆钉铆接的支座6共同构成换能器H；惯性块5的上下两侧分别通过螺钉与两个换能器H上的支座6相连接，惯性块5上方的换能器H的另一支座6通过螺钉固定在盖板3上，惯性块5下方的换能器H的另一支座6通过螺钉固定在壳体4的底壁42上；

为使压电振子h能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，俘能器应满足下列条件：①压电振子h不受外力作用时金属片h1上圆弧外表面的最小半径应为 $R=h\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ ②一个换能器H上压电振子h的圆弧段被拉直时，另一个换能器H上的压电振子h处于不受外力作用的自然状态，壳体4内腔高度为上式中：α＝h_m/h₀，h₀＝h_m+h_p，h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，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，L_m为惯性块5的高度，L_h为换能器H的高度，l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。

由图1至图5的不难看出，本发明中弹簧2的功能有两方面，一是使壳体4与振动结构间呈弹性连接，形成两自由度的振动系统，从而增加俘能器的有效带宽；另一功能是使壳体4相对挂架1作任一水平方向上的相对摆动，从而实现水平方向上的振动能量回收。因此，本发明的特色之一是：可在较宽的频带范围内收集纵振及任意水平方向的振动能量。

自然状态下，惯性块5在上下两个压电振子h作用下处于平衡位置；当振动主体作单纯的上下往复振动时，不管壳体4与挂架1间是否产生相对振动，惯性块5与壳体4都会发生相对运动，惯性块5的惯性力使得其上下两侧的压电振子h分别沿长度方向受拉或受压；当振动主体作任一水平方向的往复振动时，因弹簧2的拉伸作用，壳体4、惯性块5及换能器H的惯性力将使壳体4在水平方向上产生相对挂架1的往复振荡，此时惯性块5的惯性力依然迫使压电振子h产生沿其长度方向上的压缩或拉伸变形；在上述压电振子h的拉伸与压缩变形过程中，压电片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，壳体4内腔高度大于两换能器H及惯性块5的高度之和，且当一个压电振子h的圆弧段被拉直时另一压电振子不被压缩，即两个压电振子h的运动及变形量相互制约、具有限位和保护作用，从而使压电片h2只承受压应力的作用、提高了可靠性；此外，还可通过增加惯性块5质量降低系统固有频率。因此，本发明的俘能器的又一特色是：具有较高的可靠性和较好的低频特性，可实现高强度、大振幅及低频振动能量回收。

Claims (1)

1.一种拉压式振动俘能器，其特征在于：挂架上壁经螺钉固定在振动主体上，挂架上壁上固定有拉簧，拉簧套在挂架内腔中，拉簧下端固定在盖板上，盖板与挂架筒壁端面相接触；盖板经螺钉固定在壳体筒壁端部，惯性块套在壳体内腔中；两个在其圆弧段粘接有压电片的金属片经铆钉相互铆接后构成压电振子，压电振子与其两端所铆接的支座共同构成换能器；惯性块上下两侧分别通过螺钉与两换能器的支座相连接，惯性块上方的换能器的另一支座通过螺钉固定在盖板上，惯性块下方的换能器的另一支座通过螺钉固定在壳体底壁上；

为使压电振子能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，俘能器的结构应满足下列条件：压电振子不受外力作用时金属片上圆弧外表面的最小半径为 $R=h_0\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\};$ 一个换能器上压电振子的圆弧段被拉直时另一个换能器上压电振子处于不受外力的自然状态，壳体内腔高度为 $L=L_m+2L_h+n[2R\arcsin \left(\frac{l}{2R}\right)-l],$ 式中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ α＝h_m/h₀，h₀＝h_m+h_p，h_p和h_m分别为压电片和金属片厚度，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，和T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L_m为惯性块的高度，L_h为换能器高度，l为金属片上的圆弧弦长，n为单个压电振子上的圆弧数量。