CN106026770B - 一种压电‑电磁复合式自供电电源 - Google Patents

一种压电‑电磁复合式自供电电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压电‑电磁复合式自供电电源，属船舶电子技术领域。上盖安装在主体端部，上盖的凸台端部装有电路板，侧壁装有L型金属基板，基板主梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，基板副梁与所安装的电磁单元构成激励臂，电磁单元由一个线圈和一个磁铁组成；上盖中心处焊接自由端带质量块的摆杆，质量块上装有电磁单元，质量块与所安装的电磁单元构成激励盘；激励臂与激励盘上相邻磁铁的同性磁极靠近安装；主体上端设有沉槽、下端设有空腔；两相邻沉槽间的侧壁上设有用于限制压电振子变形量的限位面；主体侧壁及底壁上都安装有电磁单元。优势特色：环境适应能力强、有效频带宽、能力密度大；可作为独立部件埋置于船体隐秘处、安全可靠。

Description

一种压电-电磁复合式自供电电源
技术领域
本发明属于船舶电子应用技术领域，具体涉及一种压电-电磁复合式自供电电源，用于船舶定位跟踪系统供电。
背景技术
船舶定位跟踪系统在民用船舶上已得到广泛应用，为船舶的航行安全、及时救援、以及失联后的搜寻等提供了有力的保障。然而，现有的定位跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦船舶出现事故使发动机及整个电力系统失效时，定位跟踪系统也失去了其应有的功能。此外，现有的定位跟踪系统都是外置的，船舶失事进水时无法正常工作、船舶被不法分子劫持后定位系统也容易被关闭或破坏。因此，为确保船舶定位系统安全可靠地工作，需要有独立的自供电电源且可被隐秘、密闭地安装。
发明内容
针对现有船舶监测系统使用及供电方面存在的一些问题，本发明提出一种压电-电磁复合式自供电电源。本发明采用的实施方案是：上盖经螺钉安装在主体端部，上盖上设有正多边形凸台，凸台端部经螺钉安装有带发射单元的电路板、侧壁经螺钉安装有L型金属基板，金属基板的主梁与其两侧所粘接的压电晶片构成压电振子，金属基板的副梁与其根部及端部经螺钉所安装的电磁单元构成激励臂，电磁单元由一个线圈和一个磁铁组成；上盖中心处焊接有摆杆，摆杆自由端焊接有质量块，质量块上均布地安装有与压电振子数量相同的电磁单元，质量块与所安装的电磁单元构成激励盘；激励臂与激励盘上相互靠近的磁铁同性磁极靠近安装；主体上端均布地设有用于容纳压电振子弯曲变形的沉槽、下端设有空腔，沉槽的宽度小于金属基板主梁宽度、大于压电晶片宽度；两相邻沉槽之间的侧壁上设有用于限制压电振子变形量的圆弧形限位面；主体侧壁即沉槽侧壁及主体底壁即空腔底壁上都安装有电磁单元，主体底壁上的电磁单元置于激励臂或激励盘上的电磁单元的正下方，主体侧壁上电磁单元位于沉槽的下端；置于激励臂或激励盘上的磁铁与其相邻的置于主体侧壁或底壁上的磁铁同性磁极靠近安装；非工作压电振子在激励臂和激励盘上磁铁的共同作用下处于平衡状态且未发生弯曲变形。
本发明中，压电振子和激励臂构成了可在某一铅垂面内弯曲振动的二自由度系统，激励盘与摆杆构成了可在空间任意方向摆动的单自由度系统；由于激励臂与激励盘间存在磁耦合作用，从而使压电振子可被任意方向的振动所激励。当激励臂或激励盘因受环境振动激励离开其初始位置时，激励臂与激励盘上的电磁单元之间、以及激励臂和激励盘上的电磁单元与固定在主体侧壁和底壁上的电磁单元之间都将产生相对运动，从而使相关电磁单元中的线圈切割磁力线发电、压电振子产生弯曲变形发电。电磁单元及压电振子所生成的电能经导线传输给电路板，经转换处理后为信号发射单元供电，信号发射单元按所设定的时间间隔将船舶的位置信息发射出去。
在上述压电振子弯曲变形发电的过程中，环境振动强度较大时金属基板的主梁将贴靠在限位面上，从而确保压电晶片不至因所受应力过大而损毁。本发明中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片厚度之比为1～2.5，此时压电振子发电能力较强、能量比较大，能量比是指各不同厚度比的压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度。
优势与特色：本发明的供电装置可收集船舶航行时任意方向的颠簸和振动能，环境适应能力强、有效频带宽；压电与电磁部件同步发电、能力密度大，压电振子可靠性高；可作为独立部件埋置于船体隐秘处，安全可靠。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中供电电源的结构示意图；
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主体的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电振子及激励臂的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明一个较佳实施例中压电振子能量比与厚度比关系曲线。
具体实施方式
上盖a经螺钉安装在主体b的端部，上盖a上设有正多边形凸台a1，凸台a1的端部经螺钉安装有带发射单元S的电路板g、侧壁经螺钉安装有L型金属基板h1，金属基板h1的主梁h11与其两侧所粘接的压电晶片h2构成压电振子h，金属基板h1的副梁h12与其根部及端部经螺钉所安装的电磁单元D构成激励臂J1，电磁单元D由一个线圈c和一个磁铁d组成；上盖a的中心处焊接有摆杆f，摆杆f的自由端焊接有质量块e，质量块e上均布地安装有与压电振子h的数量相同的电磁单元D，质量块e与所安装的电磁单元D构成激励盘J2；激励臂J1与激励盘J2上相互靠近的磁铁d同性磁极靠近安装；主体b上端均布地设有用于容纳压电振子h弯曲变形的沉槽b1、下端设有空腔b2，沉槽b1的宽度小于金属基板h1的主梁h11的宽度、大于压电晶片h2的宽度；两个相邻的沉槽b1之间的侧壁上设有用于限制压电振子h变形量的圆弧形限位面b3；主体b的侧壁即沉槽b1的侧壁及主体b的底壁即空腔b2的底壁上都安装有电磁单元D，主体b的底壁上的电磁单元D置于激励臂J1或激励盘J2上的电磁单元D的正下方，主体b侧壁上电磁单元D位于沉槽b1的下端；置于激励臂J1或激励盘J2上的磁铁d与其相邻的置于主体b的侧壁或底壁上的磁铁d同性磁极靠近安装；非工作时，压电振子h在激励臂J1和激励盘J2上磁铁d的共同作用下处于平衡状态且未发生弯曲变形。
本发明中，压电振子h和激励臂J1构成了可在某一铅垂面内弯曲振动的二自由度系统，激励盘J2与摆杆f构成了可在空间任意方向摆动的单自由度系统；由于激励臂J1与激励盘J2间存在磁耦合作用，从而使压电振子h可被任意方向的振动所激励。当激励臂J1或激励盘J2因受环境振动激励离开其初始位置时，激励臂J1与激励盘J2上电磁单元D之间、以及激励臂J1和激励盘J2上的电磁单元D与固定在主体b的侧壁和底壁上的电磁单元D之间都将产生相对运动，从而使相关电磁单元D中的线圈c切割磁力线发电、压电振子h产生弯曲变形发电。电磁单元D及压电振子h所生成的电能经导线传输给电路板g，经转换处理后为信号发射单元S供电，信号发射单元S按所设定的时间间隔将船舶的位置信息发射出去。
在上述压电振子h弯曲变形发电的过程中，环境振动强度较大时金属基板h1的主梁h11将贴靠在限位面b3上，从而确保压电晶片h2不至因所受应力过大而损毁。本发明中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片h2为0.2mm的PZT4、金属基板h1为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5，此时压电振子h的发电能力较强、能量比较大，能量比是指各不同厚度比的压电振子h一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子h，限位面b3的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板h1和压电晶片h2的厚度。
显然，本发明的供电装置可收集船舶航行时任意方向的颠簸与振动能量，环境适应能力强、有效频带宽；压电与电磁部件同步发电、能力密度大，压电振子可靠性高；可作为独立部件埋置于船体隐秘处，安全可靠。

Claims (1)

1.一种压电-电磁复合式自供电电源，其特征在于：上盖安装在主体端部，上盖上设有正多边形凸台，凸台端部安装有带发射单元的电路板、侧壁安装有L型金属基板，金属基板的主梁与其两侧所粘接的压电晶片构成压电振子，金属基板的副梁与其根部及端部所安装的电磁单元构成激励臂，电磁单元由一个线圈和一个磁铁组成；上盖中心处焊接有摆杆，摆杆自由端焊接有质量块，质量块上均布地安装有与压电振子数量相同的电磁单元，质量块与所安装的电磁单元构成激励盘；激励臂与激励盘上相互靠近的磁铁同性磁极靠近安装；主体上端均布地设有用于容纳压电振子弯曲变形的沉槽、下端设有空腔，沉槽宽度小于金属基板主梁宽度、大于压电晶片宽度；两相邻沉槽间的侧壁上设有用于限制压电振子变形量的圆弧形限位面；主体侧壁及底壁上都安装有电磁单元，主体底壁上的电磁单元置于激励臂或激励盘上的电磁单元的正下方，主体侧壁上电磁单元位于沉槽的下端；置于激励臂或激励盘上的磁铁与其相邻的置于主体侧壁或底壁上的磁铁同性磁极靠近安装；非工作压电振子在激励臂和激励盘上磁铁的共同作用下处于平衡状态且未发生弯曲变形，环境振动强度较大时金属基板的主梁将贴靠在限位面上，压电晶片为0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5；限位面的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度；电磁单元及压电振子所生成的电能经导线传输给电路板，经转换处理后为信号发射单元供电。
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